实现针对传染病的超快速智能手机连接测试 黄峥哲17301050155 技术简介 据报道,超快速的点对点诊断装置利用表面声 波(SAW)生物芯片,能在10秒内检测出血液中的 艾滋病病毒。这些一次性石英生物芯片,因为不需 要复杂的标记或洗涤步骤,效率十分之高。袖珍尺 寸的控制箱可以读出SAW信号并以电子方式显示结 果。这些调查结果揭示了消费电子产品在缩短测试 等待时间方面的潜力 二.技术背景 近来在智能手机连接的诊断领域中 已经有许多进展,包括内置智能手机传感 器或其数据传输能力与现有的诊断系统 进行体内和体外测试。相比之下,该方法 不需要光学,微流体,分析物标签,放大 或洗涤步骤,而是利用微小的微机电压电 SAW传感器。因此,在每个智能手机中发 现的SAW微电子滤波器被转化成可以直接检测诸如血液等体液中的疾病生物标志物的生物 三.技术原理 生物芯片概述 生物芯片是指采用光导原位合成或微量点样等方法,将大量生物大分子比如核酸片段、多肽 分子甚至组织切片、细胞等等生物样品有序地固化于支持物的表面,组成密集二维分子排列 然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交,通过特定的仪器对杂交信号的强度进行快速、 并行、高效地检测分析,从而判断样品中靶分子的数量。由于常用硅片作为固相支持物,且 在制备过程模拟计算机芯片的制备技术,所以称之为生物芯片技术
实现针对传染病的超快速智能手机连接测试 黄峥哲 17301050155 一． 技术简介 据报道，超快速的点对点诊断装置利用表面声 波（SAW）生物芯片，能在 10 秒内检测出血液中的 艾滋病病毒。这些一次性石英生物芯片，因为不需 要复杂的标记或洗涤步骤，效率十分之高。袖珍尺 寸的控制箱可以读出 SAW 信号并以电子方式显示结 果。这些调查结果揭示了消费电子产品在缩短测试 等待时间方面的潜力， 二． 技术背景 近来在智能手机连接的诊断领域中 已经有许多进展，包括内置智能手机传感 器或其数据传输能力与现有的诊断系统 进行体内和体外测试。相比之下，该方法 不需要光学，微流体，分析物标签，放大 或洗涤步骤，而是利用微小的微机电压电 SAW 传感器。因此，在每个智能手机中发 现的SAW 微电子滤波器被转化成可以直接检测诸如血液等体液中的疾病生物标志物的生物 芯片。 三． 技术原理 生物芯片概述 生物芯片是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽 分子甚至组织切片、细胞等等生物样品有序地固化于支持物的表面，组成密集二维分子排列， 然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器对杂交信号的强度进行快速、 并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。由于常用硅片作为固相支持物，且 在制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术
SAW生物传感器装置和艾滋病毒生物芯片 (a)用于说明实验室原型的示意图。控制箱并行发送/接收来自4个SAW生物芯片的模拟 信号,并将数字信号发送到智能手机(或笔记本电脑)。应用程序(或软件)处理和分析 数据。 (b)手持式SAW开发原 USB power 型的照片 Control box (c)通过压电效应说明 生物芯片上SAW生成原 4 SAW biochips 理的原理图: SH-SAW从 Particle displacement 输入叉指电极(左IDT) 传输到输出IDT(右), 并沿传感区域传播。相 lnot sensing areaIDT o pu, 对相移在时间t和测量 开始t。之间测量的e △φ被连续测量以提供|3 Mv-positive sample injectio 实时分析 with capture protein (d)25mm×7m×2m的 1. Bare gold 次性SAW生物芯片的 照片。 (e)用于说明SAW生物芯片上的生物传感概念的示意图:感测区域(包括金薄膜,石英 上的钛粘合层)用单层捕获配体(例如结合生物标记的蛋白质)进行功能化,蓝色)使用 烷硫醇接头化学。在与捕获配体结合的溶液中显示含有HIV抗体生物标志物(红色)的样 品。所得到的波相移Aφ,随着与表面结合的捕获蛋白的量和与生物芯片特异性结合的 生物标志物的量而增加(3)。 (f)艾滋病毒示意图。针对病毒蛋白p24产生抗p24抗体,其形成病毒衣壳(以橙色显 示)。这些抗体在10-1000微克/毫升的水平两至三个月内凸起。然而,血清学转换可能需 要长达6个月,因此最近获得的感染可以通过这些测试未被发现。在此窗口期间,p24衣 壳蛋白变得可检测(2至3周)
SAW 生物传感器装置和艾滋病毒生物芯片 （a）用于说明实验室原型的示意图。控制箱并行发送/接收来自 4 个 SAW 生物芯片的模拟 信号，并将数字信号发送到智能手机（或笔记本电脑）。应用程序（或软件）处理和分析 数据。 （b）手持式 SAW 开发原 型的照片。 （c）通过压电效应说明 生物芯片上 SAW 生成原 理的原理图：SH-SAW 从 输入叉指电极（左 IDT） 传输到输出 IDT（右）， 并沿传感区域传播。相 对相移在时间 t 和测量 开始 t 0 之间测量的 Δφ 被连续测量以提供 实时分析。 （d）25mm×7mm×2mm 的 一次性 SAW 生物芯片的 照片。 （e）用于说明 SAW 生物芯片上的生物传感概念的示意图：感测区域（包括金薄膜，石英 上的钛粘合层）用单层捕获配体（例如结合生物标记的蛋白质）进行功能化，蓝色）使用 烷硫醇接头化学。在与捕获配体结合的溶液中显示含有 HIV 抗体生物标志物（红色）的样 品。所得到的波相移 Δφ ，随着与表面结合的捕获蛋白的量和与生物芯片特异性结合的 生物标志物的量而增加（3）。 （f）艾滋病毒示意图。针对病毒蛋白 p24 产生抗 p24 抗体，其形成病毒衣壳（以橙色显 示）。这些抗体在 10-1000 微克/毫升的水平两至三个月内凸起。然而，血清学转换可能需 要长达 6 个月，因此最近获得的感染可以通过这些测试未被发现。在此窗口期间，p24 衣 壳蛋白变得可检测（2 至 3 周）
四.优缺点 1)快速检测病情,便于及时采取阻断措施 2)工作中使用的生物芯片是手动功能化的,这可能会导致生物芯片之间的变化,未来将采 用半自动化协议(如喷墨打印)生物芯片功能化 3)实验室原型有两套两种不同的单个生物芯片 (见图1a),为了补偿非特异性信号(由于 Form-in- place gaskets 温度或样品粘度)而需要采集差分测量。然"wmc 而,这种设置是庞大的,生物芯片之间的变 化可能会导致潜在的错误。下一代生物芯片 具有涂覆有非特异性捕获配体的原位参考通 Thin-film 道,克服了对多个芯片的需要并减少了所需 adhesive 样品的体积。已经设计出具有多个延迟线的 SAW生物芯片,并且正在开展工作以证明其用 于各种生物标志物的参考和多路检测的能力。实例包括艾滋病毒和结核分枝杆菌等共感 染或梅毒,使用单一的SAW生物芯片。 4)SAW生物传感器具有检测艾滋病毒阳性患者样品中HIV抗体所需的敏感度,但检测p24 尚未在临床相关范围内。需要更多的工作来提高灵敏度达到pg/ml水平 五.技术应用 1)优生方面,目前知道有600多种遗传疾病与基因有关。妇女在妊娠早期用DNA芯片做基 因诊断,可以避免许多遗传疾病的发生。 2)在疾病诊断方面,由于大部分疾病与基因有关,而且往往与多基因有关,因而,利用 DNA芯片可以寻找基因与疾病的相关性,从而研制出相应的药物和提出新的治疗方法。 DNA芯片的高密度信息量和并行处理器的优点不仅使多基因分析成为可能,而且保证了 诊断的高效、廉价、快速和简便。 3)应用于器官移植、组织移植、细胞移植方面的基因配型,如HA分型。 4)病原体诊断,如细菌和病毒鉴定、耐药基因的鉴定
四． 优缺点 1) 快速检测病情，便于及时采取阻断措施 2) 工作中使用的生物芯片是手动功能化的，这可能会导致生物芯片之间的变化，未来将采 用半自动化协议（如喷墨打印）生物芯片功能化。 3) 实验室原型有两套两种不同的单个生物芯片 （见图 1a），为了补偿非特异性信号（由于 温度或样品粘度）而需要采集差分测量。然 而，这种设置是庞大的，生物芯片之间的变 化可能会导致潜在的错误。下一代生物芯片 具有涂覆有非特异性捕获配体的原位参考通 道，克服了对多个芯片的需要并减少了所需 样品的体积。已经设计出具有多个延迟线的 SAW 生物芯片，并且正在开展工作以证明其用 于各种生物标志物的参考和多路检测的能力。实例包括艾滋病毒和结核分枝杆菌等共感 染或梅毒，使用单一的 SAW 生物芯片。 4) SAW 生物传感器具有检测艾滋病毒阳性患者样品中 HIV 抗体所需的敏感度，但检测 p24 尚未在临床相关范围内。需要更多的工作来提高灵敏度达到 pg / ml 水平。 五． 技术应用 1) 优生方面，目前知道有 600 多种遗传疾病与基因有关。妇女在妊娠早期用 DNA 芯片做基 因诊断，可以避免许多遗传疾病的发生。 2) 在疾病诊断方面，由于大部分疾病与基因有关，而且往往与多基因有关，因而，利用 DNA 芯片可以寻找基因与疾病的相关性，从而研制出相应的药物和提出新的治疗方法。 DNA 芯片的高密度信息量和并行处理器的优点不仅使多基因分析成为可能，而且保证了 诊断的高效、廉价、快速和简便。 3) 应用于器官移植、组织移植、细胞移植方面的基因配型，如 HLA 分型。 4) 病原体诊断，如细菌和病毒鉴定、耐药基因的鉴定
5)在环境对人体的影响方面,已知花粉过敏等人体对环境的反应都与基因有关。若对与环 境污染相关的200多个基因进行全面监测,将对生态环境控制及人类健康有重要意义 6)在法医学方面,DNA芯片比早先的DNA指纹鉴定更进一步,它不仅可做基因鉴定,而且 可以通过DNA中包含的生命信息描绘生命体的脸型长相外貌特征。这种检验常用于灾难 事故后鉴定尸体身份以及鉴定父母和子女之间的血缘关系 六.参考文献 Valerian Turbe, Eleanor R. Gray, Victoria E. Lawson et al. Towards an ultra-rapid smartphone- connected test for infectious diseases. Scientific Reports, Published online:20 September2017,doi:10.1038/s41598-017-11887- https://wenku.baiducom/view/93b5420a844769eae009ed68.html
5) 在环境对人体的影响方面，已知花粉过敏等人体对环境的反应都与基因有关。若对与环 境污染相关的 200 多个基因进行全面监测，将对生态环境控制及人类健康有重要意义。 6) 在法医学方面，DNA 芯片比早先的 DNA 指纹鉴定更进一步，它不仅可做基因鉴定，而且 可以通过 DNA 中包含的生命信息描绘生命体的脸型长相外貌特征。这种检验常用于灾难 事故后鉴定尸体身份以及鉴定父母和子女之间的血缘关系。 六． 参考文献 Valérian Turbé, Eleanor R. Gray, Victoria E. Lawson et al. Towards an ultra-rapid smartphone- connected test for infectious diseases. Scientific Reports, Published online:20 September 2017, doi:10.1038/s41598-017-11887-6 https://wenku.baidu.com/view/93b5420a844769eae009ed68.html