導(dǎo)讀

近日，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校開(kāi)發(fā)出一種小型化、低功耗、可注射的生物傳感器，它將可以用于長(zhǎng)時(shí)間、不間斷的酒精檢測(cè)。該芯片小到足以嵌入人體表皮之下，并能通過(guò)可穿戴設(shè)備例如智能手表或貼片無(wú)線供電。

背景

飲酒，是一種歷史悠久而普遍的生活習(xí)慣和社會(huì)風(fēng)俗。許多朋友都喜歡喝酒，但是也許很多人并不清楚，酒是世界上使用最為廣泛的成癮性物質(zhì)。長(zhǎng)期過(guò)量飲酒可造成酒精濫用和酒精成癮，并伴發(fā)多種精神損害、軀體損害和社會(huì)損害。

對(duì)于酒精成癮癥患者的治療來(lái)說(shuō)，其中一個(gè)重要挑戰(zhàn)就是，缺少用于常規(guī)檢測(cè)的便捷工具。目前，評(píng)估血液中酒精含量的最常規(guī)方法就是：呼吸分析儀。但是，它的缺點(diǎn)是相對(duì)笨重，還需要患者主動(dòng)吹氣，且并不是十分精準(zhǔn)。血液測(cè)試是最精準(zhǔn)的方法，但是需要訓(xùn)練有素的技術(shù)人員才能操作。

也許，將酒精傳感器如同文身一樣佩戴在皮膚上，是一個(gè)有前途的新選擇。筆者也曾介紹過(guò)這方面的創(chuàng)新案例，例如美國(guó)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)影像與生物工程研究所開(kāi)發(fā)的生物傳感器貼，就如同文身一般，它可以刺激汗液分泌，并檢測(cè)汗液中的酒精含量。但是，文身類(lèi)的皮膚貼片也存在一些缺點(diǎn)，就是很容易被移除，且只支持一次性使用。

（圖片來(lái)源：美國(guó)化學(xué)會(huì)）

創(chuàng)新

近日，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校（University of California San Diego ）開(kāi)發(fā)出一種小型化、低功耗、可注射的生物傳感器，它將可以用于長(zhǎng)時(shí)間、不間斷的酒精檢測(cè)。該芯片小到足以嵌入人體表皮之下，并能通過(guò)可穿戴設(shè)備例如智能手表或貼片無(wú)線供電。

（圖片來(lái)源：David Baillot / 加州大學(xué)圣迭戈分校雅各布工程學(xué)院）

加州大學(xué)圣迭戈分校雅各布工程學(xué)院電氣工程系教授、該項(xiàng)目的領(lǐng)頭人 Drew Hall 表示：“這項(xiàng)工作的最終目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種常規(guī)的、不惹眼的酒精與藥物檢測(cè)設(shè)備，用于藥物濫用患者的治療項(xiàng)目。這種可注射的微型傳感器，在門(mén)診就可以操作而無(wú)需手術(shù)，使得患者更容易在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)按照規(guī)定進(jìn)行檢測(cè)。” Hall 也隸屬于加州大學(xué)圣迭戈分校的無(wú)線通信中心和可穿戴傳感器中心。4月10日，Hall 的團(tuán)隊(duì)在于圣迭哥召開(kāi)的2018年度IEEE定制集成電路大會(huì)（CICC）上展示了這項(xiàng)研究。

相關(guān)論文標(biāo)題為： "A Sub-1 uW Multiparameter Injectable BioMote for Continuous Alcohol Monitoring."，作者包括加州大學(xué)圣迭戈分校的 Haowei Jiang*、Xiahan Zhou*、Saurabh Kulkarni、 Michael Uranian、 Rajesh Seenivasan、Drew A. Hall。

技術(shù)

生物傳感器芯片的尺寸約為1立方毫米，可注射到皮膚下圍繞身體細(xì)胞的細(xì)胞間液中。它含有一個(gè)涂有乙醇氧化酶的傳感器，這種酶選擇性地與酒精交互生成副產(chǎn)品，這個(gè)副產(chǎn)品可以通過(guò)電化學(xué)方法檢測(cè)到。電信號(hào)通過(guò)無(wú)線方式傳輸至附近的可穿戴設(shè)備，例如智能手表，而芯片也是通過(guò)可穿戴設(shè)備無(wú)線供電。芯片上另外兩個(gè)傳感器用于測(cè)量背景信號(hào)與pH值，這些值被抵消后，酒精度數(shù)的測(cè)量會(huì)變得更加精準(zhǔn)。

（圖片來(lái)源：David Baillot / 加州大學(xué)圣迭戈分校雅各布工程學(xué)院）

研究人員將芯片功耗設(shè)計(jì)得盡可能低，總共才970納瓦，差不多是智能手機(jī)打一個(gè)電話(huà)所消耗的功率的百萬(wàn)分之一。Hall 表示：“我們不想芯片對(duì)于可穿戴設(shè)備的電池壽命產(chǎn)生顯著影響。我們正在植入它，所以不想許多的熱量產(chǎn)生于身體局部或者電池內(nèi)，這有可能會(huì)產(chǎn)生潛在的毒性。”

讓芯片的運(yùn)行功耗變得超低，其中一個(gè)辦法就是通過(guò)一種叫做“后向散射”的技術(shù)。對(duì)于這項(xiàng)新穎有趣的技術(shù)，筆者之前也介紹過(guò)它的應(yīng)用案例，讓我們一起回顧一下：

1）美國(guó)華盛頓大學(xué)利用“調(diào)頻后向散射技術(shù)”，將我們生活中日常物品變?yōu)闊o(wú)線電臺(tái)，使之與手機(jī)或者汽車(chē)通信交換數(shù)據(jù)，其功耗遠(yuǎn)低于藍(lán)牙、WiFi等無(wú)線通信技術(shù)。

2）美國(guó)華盛頓大學(xué)首次利用“遠(yuǎn)程后向散射技術(shù)”演示了，一種設(shè)備幾乎以零功率運(yùn)行，傳輸數(shù)據(jù)的距離最高可達(dá)2.8千米。這項(xiàng)研究突破對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展來(lái)說(shuō)有著重要意義。

在今天介紹的案例中，一個(gè)鄰近的設(shè)備例如智能手表，發(fā)送無(wú)線電頻率信號(hào)至芯片，芯片發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)將這些信號(hào)修改并反射至智能手表，于是后向散射就產(chǎn)生了。

同時(shí)，研究人員也為芯片設(shè)計(jì)了超低功耗的傳感器讀出電路，并最小化測(cè)量時(shí)間，使之僅有三秒鐘，從而讓功耗更低。

研究人員通過(guò)一個(gè)模仿植入環(huán)境的裝置，在人體外測(cè)試了該芯片。這包括測(cè)試在豬皮膚層下的稀釋的人體血清中的乙醇混合物。

價(jià)值

總結(jié)一下，這樣研究讓人體中酒精的測(cè)量變得更加的方便快捷，實(shí)現(xiàn)了小型化、低功耗、可注射的生物傳感器。它植入方便，無(wú)需手術(shù)，不僅將在人體中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期不間斷的酒精檢測(cè)，未來(lái)還將應(yīng)用于其他分子與藥物的檢測(cè)。

未來(lái)

就未來(lái)的研究而言，研究人員正在計(jì)劃在活的動(dòng)物中測(cè)試這種芯片。Hall 的研究小組正在與位于加州大學(xué)圣迭戈分校高通研究院創(chuàng)新空間的創(chuàng)業(yè)公司 CARI Therapeutics 以及加州大學(xué)圣迭戈分校的成癮癥精神病醫(yī)生Carla Marienfeld 博士（他精通治療藥物濫用癥）合作，一起優(yōu)化該芯片用于新一代的康復(fù)檢測(cè)。Hall 的研究小組正在開(kāi)發(fā)能夠在體內(nèi)檢測(cè)其他分子和藥物的芯片版本。

Hall 表示：“這是一個(gè)概念驗(yàn)證階段的平臺(tái)技術(shù)。我們已經(jīng)展示了這種芯片能夠測(cè)試酒精，但是我們憧憬著設(shè)計(jì)出能檢測(cè)其他不同濫用藥物，并注射定制的雞尾酒到患者體內(nèi)，提供長(zhǎng)期的、個(gè)性化的醫(yī)療檢測(cè)。”