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美国研发新型光子pH传感器,可追踪细胞组织的生长

未来,医生(sheng)们可能会为在战斗中失去(qu)手臂的(de)士兵、需要新心脏(zang)或(huo)肝(gan)脏(zang)的(de)儿童以及其他(ta)有(you)紧急需要的(de)人培(pei)育四肢和其他(ta)身(shen)体(ti)组织。如今,医学专业(ye)人员可以从病人身(shen)上移(yi)植(zhi)细胞,将(jiang)(jiang)其沉积在组织支(zhi)架上,并将(jiang)(jiang)支(zhi)架插入体(ti)内,以促进骨骼、软骨和其他(ta)特殊组织的(de)生(sheng)长。但研究人员仍在致力于构建可植(zhi)入患者体(ti)内的(de)复杂(za)器官。

一个带有两根光纤(xian)(xian)的(de)空培养皿(min),说明了研究人(ren)员实验(yan)的(de)一种形(xing)式。左(zuo)侧光纤(xian)(xian)(通常是红外(wai)光,但此处显(xian)示为可见的(de)红光)是温度传感器。顶部(bu)光纤(xian)(xian)向培养皿(min)中(zhong)发出绿色(se)、红色(se)或蓝色(se)的(de)光,以(yi)调节温度传感器测量(liang)的(de)信(xin)号。图片来源:Jennifer Lauren Lee / NIST

美国(guo)(guo)国(guo)(guo)家(jia)标准技术研(yan)究院(yuan)(NIST)的(de)科学家(jia)通(tong)过开发(fa)一种(zhong)有(you)前(qian)途的(de)新型光基传感器来研(yan)究实(shi)验室(shi)中(zhong)的(de)组织生长,为这一研(yan)究领(ling)域(yu)提供了支持。

NIST团队(dui)近日(ri)发表在《传感(gan)(gan)器和(he)执行器B》上的概念(nian)验证工作展示了一种小型传感(gan)(gan)器,该传感(gan)(gan)器使用基于光(guang)的信号来测量(liang)(liang)pH值(zhi),pH值(zhi)是酸度(du)的测量(liang)(liang)单位、是细胞生长研究中的一个重(zhong)要属(shu)性。同样的基本设(she)计(ji)也可以用来测量(liang)(liang)其他质(zhi)量(liang)(liang),例如钙(gai),细胞生长因子和(he)某些抗体的存在。

与传(chuan)统的(de)传(chuan)感器不同,这种(zhong)测(ce)(ce)量方法可用于长期(qi)(qi)(一次(ci)连续数周)监测(ce)(ce)细胞培(pei)养(yang)中(zhong)的(de)环境,而无需(xu)定期(qi)(qi)干扰细胞来校准传(chuan)感仪器。NIST化学家Zeeshan Ahmed说,在几(ji)天或几(ji)周内实时观(guan)察(cha)组(zu)织(zhi)的(de)特(te)性(xing)(随着它们(men)缓慢变化)可以大(da)大(da)有(you)助于组(zu)织(zhi)工(gong)程(cheng)的(de)研究,以生长牙齿、心脏组(zu)织(zhi)、骨骼组(zu)织(zhi)等。

Ahmed说:“J9九游会AG 希望制造出(chu)可(ke)以放入生(sheng)长组(zu)织中的传感器,为(wei)研究人员提(ti)供定量信(xin)息。组(zu)织真的在生(sheng)长吗?它健康(kang)吗?如果你长了一块骨(gu)头,它是(shi)有(you)合(he)适的机械性(xing)能(neng),还是(shi)太弱(ruo)而不能(neng)支(zhi)撑身(shen)体?”

美国大学化(hua)(hua)学家(jia)、NIST客座研(yan)(yan)究(jiu)员(yuan)(yuan)Matthew Hartings说:“这些传感(gan)器能给人(ren)们(men)(men)提(ti)(ti)(ti)供(gong)有关组(zu)织生(sheng)长和疾病进(jin)展的实(shi)时信(xin)息。传统的传感(gan)器给研(yan)(yan)究(jiu)人(ren)员(yuan)(yuan)提(ti)(ti)(ti)供(gong)一(yi)系列的快照,而不显(xian)示这些点之(zhi)间的路径。但光子传感(gan)器可(ke)以(yi)为(wei)科学家(jia)提(ti)(ti)(ti)供(gong)连续的信(xin)息,相当于一(yi)个GPS疾病导航应用程序。J9九游会AG 希望为(wei)研(yan)(yan)究(jiu)人(ren)员(yuan)(yuan)提(ti)(ti)(ti)供(gong)随(sui)着组(zu)织健康成长或(huo)患病而发(fa)生(sheng)的增量(liang)变化(hua)(hua)的详细(xi)图。一(yi)旦研(yan)(yan)究(jiu)人(ren)员(yuan)(yuan)知(zhi)道(dao)疾病正在(zai)蔓延,那么他们(men)(men)就可(ke)以(yi)更(geng)好地预防或(huo)支持患者体内正在(zai)发(fa)生(sheng)的变化(hua)(hua)。”

商用pH仪器的缺陷

pH值的(de)测量是组(zu)织工程研究的(de)重(zhong)要组(zu)成部分。随着细(xi)胞(bao)的(de)生长,它们的(de)环境(jing)(jing)自然(ran)变得(de)更酸性(xing)。如(ru)果(guo)环境(jing)(jing)变得(de)太酸或太碱性(xing),细(xi)胞(bao)就会死(si)亡。科(ke)学家们测量的(de)pH值范围(wei)从0(非常酸性(xing))到14(非常碱性(xing)),对于大多数细(xi)胞(bao)而言(yan),理想的(de)环境(jing)(jing)是在pH值约为7的(de)狭窄范围(wei)内(nei)。

商用pH仪器具有很高的(de)准(zhun)(zhun)确(que)性(xing),但不(bu)稳定,这意味着它们需(xu)(xu)要频繁地进(jin)行校(xiao)(xiao)准(zhun)(zhun)以确(que)保日常的(de)准(zhun)(zhun)确(que)读数。如果(guo)不(bu)进(jin)行校(xiao)(xiao)准(zhun)(zhun),这些传统的(de)pH仪器每天(tian)就会(hui)损失高达0.1个pH单(dan)位的(de)准(zhun)(zhun)确(que)度。而组织工程学研(yan)究需(xu)(xu)要几周(zhou)的(de)时间,干(gan)细胞培养物可能(neng)需(xu)(xu)要生长近一(yi)个月才能(neng)变成(cheng)骨骼(ge)。

Ahmed说:“0.1ph值(zhi)的(de)(de)增加是显著(zhu)的(de)(de)。如果你的(de)(de)pH值(zhi)改变了1,你就会杀死细(xi)胞。如果过了几天,我(wo)对我(wo)的(de)(de)pH值(zhi)测量(liang)结果毫(hao)无信心,那(nei)么我(wo)就不会使用这(zhei)种测量(liang)方法了。”

另一(yi)方面,如(ru)果研究人员每次必须测量细胞培养(yang)液的pH值时都(dou)会干扰生长中的细胞,那么(me)科学家们在测量中引(yin)入了另一(yi)种不确定性,因(yin)为它们正(zheng)在改变细胞的环(huan)境。

Ahmed说,这类研究需(xu)要的是(shi)一种测量系统,该系统可以(yi)留在培养箱(xiang)中,无需(xu)一次(ci)或数周地取出或校(xiao)准。

在此版本的实验中,培养皿中装有酚(fen)红(hong)(hong)(hong)溶(rong)液(ye)(ye),酚(fen)红(hong)(hong)(hong)溶(rong)液(ye)(ye)会根据酸性(xing)改变颜色。左(zuo)侧溶(rong)液(ye)(ye)的较低pH值(zhi)使(shi)该物质(zhi)呈(cheng)深黄色。右侧溶(rong)液(ye)(ye)的较高(gao)pH值(zhi)使(shi)该物质(zhi)呈(cheng)红(hong)(hong)(hong)色。图片来(lai)源:Jennifer Lauren Lee / NIST

新型光子pH传感(gan)器

多年以来,Ahmed和他的团(tuan)队一直在开(kai)发光子(zi)传感器,这(zhei)是一种小型轻巧的设备,它们(men)使(shi)用光信号来测量(liang)(liang)一系(xi)列质量(liang)(liang),包括(kuo)温度、压力和湿度。

这些新设备中的(de)(de)一(yi)些使用(yong)(yong)商(shang)业上可用(yong)(yong)的(de)(de)、用(yong)(yong)布(bu)拉格光栅(zha)刻(ke)蚀的(de)(de)柔性光纤,布(bu)拉格光栅(zha)是一(yi)种(zhong)用(yong)(yong)于反射特定波长并(bing)允许(xu)其(qi)他波长通过(guo)的(de)(de)滤光器,温度(du)或压力的(de)(de)变化会改变可以(yi)通过(guo)光栅(zha)的(de)(de)光的(de)(de)波长。

为了使(shi)他(ta)们的(de)(de)光子器件适应pH值的(de)(de)测量,Ahmed和Hartings依靠科(ke)学上(shang)一个著(zhu)名的(de)(de)概念:当(dang)物体吸(xi)收光时,吸(xi)收的(de)(de)能量“必定(ding)会流(liu)到某个地(di)方”,Ahmed说(shuo),在许多情况下,能量转化为能量热。

Ahmed说:“对于每(mei)个(ge)单(dan)独(du)的光(guang)子(zi),产生的热(re)量都(dou)是非常小(xiao)的能(neng)量。但(dan)是,如果(guo)有很多(duo)光(guang)子(zi)进入(ru),并且(qie)有很多(duo)分子(zi),那(nei)么(me)热(re)量就会发生明显的变化(hua)。”

为了证明这一(yi)点(dian),科(ke)学家(jia)们使用了一(yi)种可(ke)(ke)响应pH值(zhi)变化而变色的(de)物(wu)(wu)质,这是许多(duo)人(ren)在生物(wu)(wu)课上可(ke)(ke)能记得的(de)一(yi)种物(wu)(wu)质:红甘(gan)蓝果汁粉。甘(gan)蓝汁的(de)颜色由深紫色变为浅粉色,这取(qu)决于(yu)溶液(ye)的(de)酸度,这种颜色的(de)变化可(ke)(ke)以被(bei)Ahmed的(de)光子(zi)温(wen)度传感器捕捉(zhuo)到。

研究(jiu)人员在(zai)培养(yang)皿中注入甘蓝(lan)汁溶(rong)液。将一(yi)根(gen)光纤(xian)被(bei)放置在(zai)培养(yang)皿上(shang)方(fang),将其连接(jie)到激光指示器(qi),并将光线照射(she)到样品上(shang)。将第二根(gen)光纤(xian)物理地嵌入液体中,第二根(gen)光纤(xian)包含布(bu)拉格光栅,用作(zuo)温度传感器(qi)。Ahmed的(de)小(xiao)组手(shou)动控制(zhi)溶(rong)液的(de)pH值。

为了进行测量(liang)(liang)(liang),研(yan)究(jiu)人员(yuan)将(jiang)一种(zhong)颜(yan)(yan)色的(de)(de)(de)光(guang)(如红(hong)色)从上方照(zhao)(zhao)射(she)到样品中(zhong)。甘(gan)蓝汁(zhi)根(gen)据其颜(yan)(yan)色不同程(cheng)(cheng)度(du)地吸收了红(hong)光(guang),其颜(yan)(yan)色取决于(yu)当时溶(rong)液的(de)(de)(de)pH值。光(guang)子温(wen)度(du)计光(guang)纤(xian)捕捉到果汁(zhi)热量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)这些(xie)细微(wei)变化,温(wen)度(du)的(de)(de)(de)变化会改变通过(guo)光(guang)纤(xian)布拉格(ge)光(guang)栅的(de)(de)(de)波长(zhang)。接下(xia)来(lai),研(yan)究(jiu)人员(yuan)将(jiang)第二种(zhong)颜(yan)(yan)色的(de)(de)(de)光(guang)(如绿色)照(zhao)(zhao)射(she)到液体中(zhong),并(bing)重复这一过(guo)程(cheng)(cheng)。通过(guo)比较每(mei)种(zhong)颜(yan)(yan)色的(de)(de)(de)光(guang)产生多少热量(liang)(liang)(liang),研(yan)究(jiu)人员(yuan)可以(yi)确定当时甘(gan)蓝汁(zhi)的(de)(de)(de)确切颜(yan)(yan)色,这告诉他们pH值。

“从(cong)字面上讲,J9九游会AG 可以(yi)(yi)打开和关(guan)闭两个激光指(zhi)示(shi)器几分钟,看看是否可以(yi)(yi)将其变成(cheng)pH计,而(er)且(qie)J9九游会AG 能够证明(ming)它(ta)在从(cong)pH值4到pH值9或10很宽的范围内(nei)起作(zuo)用。”

正(zheng)在进行的(de)工作(zuo)表明(ming),光子(zi)pH测量值精(jing)确到正(zheng)负0.13个pH单(dan)位(wei),并且至少稳定(ding)三(san)周(zhou),比传统测量值长得多(duo)。

研(yan)究(jiu)(jiu)人(ren)员说(shuo),根(gen)据他们的(de)组织工(gong)程合作者的(de)说(shuo)法,新的(de)光子传(chuan)感(gan)器可以为正在研(yan)究(jiu)(jiu)的(de)一系列生物系统(tong),特别是心脏和骨细胞的(de)生长提供有用的(de)信息。

上(shang)面的(de)(de)光盘是(shi)包(bao)含称为酚红的(de)(de)pH敏感染料的(de)(de)聚合物(wu)(一种塑料)的(de)(de)样品。这五(wu)种颜色分别(bie)对应(ying)五(wu)个不同的(de)(de)pH值。研究(jiu)人(ren)员正在(zai)尝试在(zai)聚合物(wu)材(cai)料中注入酚红作为其温度感应(ying)光纤的(de)(de)涂层。图片来源:Jennifer Lauren Lee / NIST

在下一轮(lun)已经开始的(de)实验中,NIST的(de)研究(jiu)人员正(zheng)在使用另一种对pH敏感的(de)染料(liao)酚(fen)红。此外,他们正(zheng)在努力将(jiang)染料(liao)包裹在纤(xian)维本身周围的(de)塑料(liao)涂层中,使其不与细胞(bao)培(pei)养基相互作用。在专(zhuan)门(men)从事(shi)组(zu)织(zhi)工(gong)程(cheng)研究(jiu)的(de)NIST同事(shi)的(de)帮助下,该小组(zu)还在真实细胞(bao)培(pei)养中对该系统进行了(le)首次测试。

未来的计划(hua)包括(kuo)测量超过pH值的量,这只需要将酚红(hong)换成一种(zhong)对研究(jiu)人员(yuan)想要测量的任(ren)何性质(zhi)都敏感的另一种(zhong)染料。

NIST研究(jiu)人员还(hai)将测试由于(yu)这种测量(liang)方(fang)法而导(dao)致(zhi)的样品局(ju)部(bu)区域的轻微暂时温度(du)变(bian)化(hua)(约1-2开尔文)对(dui)细胞培养的影响(xiang)。Ahmed说,到目前为止,潜在的合(he)作者并没有(you)过分(fen)担心(xin)局(ju)部(bu)加热的问(wen)题,他的团队将致(zhi)力于(yu)尽(jin)可能(neng)减(jian)少温度(du)变(bian)化(hua)。

Ahmed希望在将来,该测(ce)量方案能(neng)够(gou)用(yong)于监视(shi)真实人体(ti)中组织的生长(zhang)。Ahmed说:“长(zhang)期(qi)目标是能(neng)够(gou)将植入式(shi)设备(bei)放入想要(yao)生长(zhang)骨(gu)骼和肌肉(rou)的人体(ti)内,然后随(sui)着时间(jian)的流逝,传感器可以被设计(ji)成能(neng)溶解掉,不必再取出它们。”

(来自(zi):   作者:Angel 来源:传感(gan)器专家(jia)网2020-12-17


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