新型材料在生物檢測方面的應用和前景

隨著醫(yī)學科學的發(fā)展，對于生物分子、病原體、細胞等生物檢測的需求越來越高。生物檢測技術可以用于診斷、治療、監(jiān)測、預防等各個領域。然而，傳統(tǒng)的生物檢測方法往往存在靈敏度低、穩(wěn)定性差、操作復雜、成本高等缺點，限制了其廣泛的應用。因此，開發(fā)新型的生物檢測材料和技術，提高生物檢測的性能和便利性，是一個重要的研究方向。

新型材料在生物檢測方面的應用和前景是廣闊的。例如，基于ZnO納米棒的FET生物傳感器，就是一種利用新型納米材料和電化學技術的生物檢測系統(tǒng)，用于連續(xù)血糖監(jiān)測。該生物傳感器旨在為微創(chuàng)血糖監(jiān)測提供高靈敏度、良好的穩(wěn)定性和小尺寸。該生物傳感器的優(yōu)點在于靈敏度、穩(wěn)定性好、體積小、制造成本低，有望成為糖尿病患者可穿戴連續(xù)血糖監(jiān)測的應用。

其他的新型材料在生物檢測方面的應用和前景，還包括：

■基于金納米顆粒的光學生物傳感器，用于DNA、蛋白質、抗體等的標記和檢測。該傳感器利用金納米顆粒的表面增強拉曼散射（SERS）效應，實現(xiàn)對生物分子的高靈敏度和高分辨率的檢測。

■基于石墨烯的電化學生物傳感器，用于DNA、微小RNA、熒光素酶等的檢測。該傳感器利用石墨烯的高電子傳導性和高比表面積，以及與生物分子的強相互作用，實現(xiàn)對生物分子的快速和穩(wěn)定的檢測。

■基于磁性納米顆粒的磁學生物傳感器，用于細胞、細菌、病毒等的分離和檢測。該傳感器利用磁性納米顆粒的高磁響應和高親和性，以及與生物分子的特異性結合，實現(xiàn)對生物目標的有效富集和靈敏檢測。

■基于硅納米線的機械生物傳感器，用于細胞、腫瘤、神經元等的力學特性的檢測。該傳感器利用硅納米線的高柔性和高靈敏度，以及與生物分子的直接接觸，實現(xiàn)對生物力學信號的高精度的檢測。

■基于聚合物微流控芯片的聲學生物傳感器，用于細胞、病原體、血液等的分析和診斷。該傳感器利用聚合物微流控芯片的高可塑性和高集成度，以及聲波的高穿透性和高選擇性，實現(xiàn)對生物樣本的微量化和多功能化的處理和檢測。

Tektronix提供豐富的產品助力新型材料在生物醫(yī)學檢測中的應用。構架在高精度的數(shù)字萬用表、源表、靜電計以及時域電信號采集系統(tǒng)，基于幾十年在半導體、材料科學的應用積累，推出針對不同材料體系、檢測原理等矩陣式解決方案。

案例一：基于ZnO納米棒的FET生物傳感器，用于連續(xù)血糖監(jiān)測[1]

文章介紹了一種基于ZnO納米棒的場效應晶體管(FET)生物傳感器，用于連續(xù)血糖監(jiān)測。該生物傳感器旨在為微創(chuàng)血糖監(jiān)測提供高靈敏度、良好的穩(wěn)定性和小尺寸。通過利用在源極和漏極之間生長的ZnO納米棒，通過交流電場控制，生物傳感器充當變頻器，將葡萄糖濃度轉化為特定差頻的電流變化。

● 在測試中，通過6221產生高精度交流信號，通過源漏，葡萄糖分子吸附在ZnO納米棒后，葡萄糖氧化酶 (GOx) 催化葡萄糖與氧氣反應，將葡萄糖轉化為葡萄糖內酯和過氧化氫(H2O2)。生成的H2O2改變GOx-ZnO納米棒的電荷轉移特性，導致FET的電導率發(fā)生變化。通過2182進行微弱的電壓變化的測試，從而得到電導率的值。

案例二：基于MXene結構的人血清白蛋白(HSA)濃度水平的多層異質膜[2]

MXene是由MAX相處理得到的類石墨烯結構。MAX相的具體分子式為M n + 1 AX n ( n = 1, 2 or 3)，其中M指的是前幾族的過渡金屬，A指的是主族元素，X指的是C和/或N元素。由于M-X具有較強的鍵能，A具有較活潑的化學活性，因此，可以通過刻蝕作用將A從MAX相中移除，從而得到類石墨烯的2D結構——MXene。由于MXene獨特的性能，目前已經廣泛應用于催化劑、離子篩分、光熱轉化、場效應晶體管、拓撲絕緣體和析氫反應。MXene/PDMS/Fe3O4/PDMS層在信號轉換中扮演的角色是通過表面應力和磁力將生物信號轉化為電信號，從而增強了表面應力生物傳感器的靈敏度。PDMS膜在磁場的影響下變形更快，放大了可以輸出為電脈沖的表面應力。因此，實現(xiàn)了多物理場耦合增強。在均勻磁場下，MXene/PDMS/Fe3O4/PDMS層表現(xiàn)出良好的檢測性能。

● MXene的作用是作為MHBios的導電層材料，通過其高電導率，使得MHBios具有卓越的傳感能力。MHBios的電阻會隨著MXene膜的變形而改變，而特異性結合的抗HSA和HSA會產生表面應力，導致MXene膜的結構改變，從而改變了膜內的導電路徑。此外，在磁場的影響下，磁性Fe3O4敏化的磁性納米顆粒會在MHBios表面移動，導致PDMS膜更快地變形，縮短了導電路徑并增加了電阻。

● 通過2450對PDMS膜的電阻率進行測量，讀取電阻值作為HAS濃度的標記值。

另外柔性皮膚

柔性材料對生物檢測具有重要的意義，因為它們可以模仿人體組織，適應各種復雜的形狀和環(huán)境，提高了生物檢測的靈敏度和準確度。柔性材料還可以減少生物檢測過程中的機械刺激，降低外源性干擾，增加生物相容性，更好地模擬體內的生物信號。

利用柔性材料制備的生物傳感器，可以實現(xiàn)對血液、唾液、汗液等體液的連續(xù)監(jiān)測，為疾病診斷和治療提供及時的反饋信息。柔性材料也可以與電子、光學、磁性、機械等多種功能結合，構建多功能的生物檢測平臺，拓展了生物檢測的范圍和應用場景。

案例三：銀納米線 (AgNW) 和聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 薄膜構建柔性應變傳感器[3]

銀納米線作為一種一維納米金屬材料，由于其優(yōu)異的導電性、透明性和柔韌性而受到廣泛關注，尤其是在柔性和可拉伸電子領域。根據(jù)研究，AgNWs/PDMS薄膜作為柔性應變傳感器在個人電子設備和健康監(jiān)測領域有著廣泛的應用前景。該薄膜具有優(yōu)異的應變靈敏度和線性關系，可用于人體活動監(jiān)測和LED燈響應測試，為柔性可穿戴設備的構建提供了新思路1。此外，AgNWs/PDMS薄膜在人體皮膚的應力 - 應變行為范圍內表現(xiàn)出良好的性能，可用于研究人體皮膚的應力-應變行為，確保在實際應用中的可靠性7。因此，AgNWs/PDMS薄膜作為柔性應變傳感器具有廣闊的應用前景，可在智能可穿戴設備領域發(fā)揮重要作用。

由于AgNW+PDMS材料的形變會改變電阻率，因此利用標準的四探針法可以對電阻率的變化又非常高、可靠的精度。

新展望

結合柔性材料的發(fā)展，已經新奇的二維材料，可以更加靈敏的對選定分子、離子或者功能團進行探測，伴隨著新型神經形態(tài)器件技術的突破，可以實現(xiàn)可穿戴式的感、存、算一體的生物監(jiān)測系統(tǒng)。通過重新設計人工神經網絡，充分考慮硬件約束，實現(xiàn)硬件系統(tǒng)能夠達到最先進的血糖預測性能。這種方法不僅適用于植入式和穿戴式設備的實施，為重新定義糖尿病管理提供了有前途的前景。此外，該研究成功地證明了將神經網絡最小化以減少網絡復雜性、內存消耗和處理需求的可行性，最終將輸入數(shù)據(jù)縮小到單一特征 - 血糖測量，而且在性能上沒有明顯損失[4] 。

綜上所述，新型材料在生物檢測方面的應用和前景是巨大的，有望為醫(yī)學科學和生物工程等領域帶來革命性的突破和進步。