可检测癌症和心脏病的“多度仪”即将面世

一款受到《星舰迷航记》(Star Trek)三度仪(tricorder)启发而且能针对癌症或心脏病进行快速准确诊断的便携设备即将实现。苏格兰科学家表示，他们开发的设备可望造福世界各地的人们，更快地获得迅速准确的医疗诊断。

英国苏格兰格拉斯哥大学(University of Glasgow)的研究人员开发出一种新的“多度仪”(multicorder)，可配对手持式CMOS传感器以及基于Android的智能手机或平板电脑应用程序(App)，用于测量患者体液样本中的各种代谢物浓度，从而有助于简化慢性心脏病和前列腺癌的检测。

该设备具备同步快速检测和量化多种代谢生物标记的能力，使其特别适用于心脏病发作、癌症和中风等情况，在这些病发时能快速诊断对于有效治疗极其关重要。

研究人员在其发表于《生物传感器与生物电子》(Biosensors and Bioelectronics)期刊中的“单芯片同步测量多种疾病相关代谢物的整合型可携式系统”(An integrated portable system for single chip simultaneous measurement of multiple disease associated metabolites.)一文中介绍，该CMOS芯片表面由一个被分为多个反应区的16 × 16像素数组组成(其实是4个独立的微孔，每个微孔用于一种特定代谢物)，以同时检测并量化来自血清或尿液等体液的4种代谢物。该设备能以任何Android平板电脑或智能手机进行操作，提供数据撷取、运算、可视化和电源等。

该设备能以任何Android手机或平板电脑进行操作

该论文的主要作者、格拉斯哥大学工程学院教授Samadhan Patil表示，“我们已经能够用这种设备同步检测和测量与心肌梗塞、心脏病和前列腺癌有关的多种代谢物了。该设备具备在早期阶段追踪疾病进展的潜力，非常适合医生对病情发展的预后。”

内建芯片比指尖更小，并分为多个反应区

该研究计划的首席研究员David Cumming补充说：“能够精确测量代谢物的低成本手持式诊断设备，开启了广泛的医学应用领域；随着这一最新发展，让我们更进一步将这样的设备推向市场。这是一项令人兴奋的突破，我们渴望继续发展迄今所开发的技术。”

研究人员表示，这种手持式设备提供了代谢物组学(metabolomics)的民主化，使其得以从实验室走出来，并为研究不同疾病的复杂途径提供一种低成本的替代方案。

芯片细节

研究人员在文中介绍该芯片传感器尺寸为3.4mm×3.6mm，采用艾迈斯半导体(ams) 350nm三阱(triple-well)工艺。该芯片采用Cadence Virtuoso软件套件设计，搭载16×16传感器像素数组，有效面积为1.6mm×1.6mm。

该CMOS芯片的有效面积(具有传感器像素数组)表面由4个600 µm × 600 µm x 1500 µm (高)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微块加以保护。这些PDMS微块具有两种作用：作为牺牲材料，帮助塑造黑色环氧树脂的微铸件以制造微孔；其次，保护CMOS芯片的主动像素数组区域免受环氧树脂的损坏或经由刮痕造成的物理损坏。这些PDMS微块使用覆晶接合器(Semiconductor Equipment Corporation, Model 850)的辅助平移台，小心地放置于主动像素数组的顶部。

(a) 搭载16 x 16传感器像素数组的CMOS传感器芯片 (b) 显示单一传感器像素的芯片放大图

将环氧树脂混合物小心地倾析在PDMS微块周围的CMOS芯片表面和接触垫上。在最高温度60°C过夜固化会导致环氧树脂硬化。将约8mm高的透明塑料环放置在陶瓷芯片载体上的CMOS芯片周围以形成反应细胞。使用黑色环氧树脂的选择性微腔铸造制造出4个象限隔离壁。这些微孔具有移液管通道，这意味着它不需要微管或泵来处理液体，从而避免了复杂的液体处理程序。该方法还允许试剂与微孔瞬时混合，避免微管可能引入的流体行进延迟，以缩短测定时间。

单一传感器像素的光学轮廓测量显微照片显示光电二极管