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美國研發新型光子pH傳感器,可追蹤細胞組織的生長

文章來源:傳感器專家網 作者:【*】 點擊:次 時間:2019/12/18 15:40:02

未來,醫生們可能會為在戰斗中失去手臂的士兵、需要新心臟或肝臟的兒童以及其他有緊急需要的人培育四肢和其他身體組織。如今,醫學專業人員可以從病人身上移植細胞,將其沉積在組織支架上,并將支架插入體內,以促進骨骼、軟骨和其他特殊組織的生長。但研究人員仍在致力于構建可植入患者體內的復雜器官。

一個帶有兩根光纖的空培養皿,說明了研究人員實驗的一種形式。左側光纖(通常是紅外光,但此處顯示為可見的紅光)是溫度傳感器。頂部光纖向培養皿中發出綠色、紅色或藍色的光,以調節溫度傳感器測量的信號。圖片來源:Jennifer Lauren Lee / NIST

美國國家標準技術研究院(NIST)的科學家通過開發一種有前途的新型光基傳感器來研究實驗室中的組織生長,為這一研究領域提供了支持。

NIST團隊近日發表在《傳感器和執行器B》上的概念驗證工作展示了一種小型傳感器,該傳感器使用基于光的信號來測量pH值,pH值是酸度的測量單位、是細胞生長研究中的一個重要屬性。同樣的基本設計也可以用來測量其他質量,例如鈣,細胞生長因子和某些抗體的存在。

與傳統的傳感器不同,這種測量方法可用于長期(一次連續數周)監測細胞培養中的環境,而無需定期干擾細胞來校準傳感儀器。NIST化學家Zeeshan Ahmed說,在幾天或幾周內實時觀察組織的特性(隨著它們緩慢變化)可以大大有助于組織工程的研究,以生長牙齒、心臟組織、骨骼組織等。

Ahmed說:“我們希望制造出可以放入生長組織中的傳感器,為研究人員提供定量信息。組織真的在生長嗎?它健康嗎?如果你長了一塊骨頭,它是有合適的機械性能,還是太弱而不能支撐身體?”

美國大學化學家、NIST客座研究員Matthew Hartings說:“這些傳感器能給人們提供有關組織生長和疾病進展的實時信息。傳統的傳感器給研究人員提供一系列的快照,而不顯示這些點之間的路徑。但光子傳感器可以為科學家提供連續的信息,相當于一個GPS疾病導航應用程序。我們希望為研究人員提供隨著組織健康成長或患病而發生的增量變化的詳細圖。一旦研究人員知道疾病正在蔓延,那么他們就可以更好地預防或支持患者體內正在發生的變化。”

商用pH儀器的缺陷

pH值的測量是組織工程研究的重要組成部分。隨著細胞的生長,它們的環境自然變得更酸性。如果環境變得太酸或太堿性,細胞就會死亡。科學家們測量的pH值范圍從0(非常酸性)到14(非常堿性),對于大多數細胞而言,理想的環境是在pH值約為7的狹窄范圍內。

商用pH儀器具有很高的準確性,但不穩定,這意味著它們需要頻繁地進行校準以確保日常的準確讀數。如果不進行校準,這些傳統的pH儀器每天就會損失高達0.1個pH單位的準確度。而組織工程學研究需要幾周的時間,干細胞培養物可能需要生長近一個月才能變成骨骼。

Ahmed說:“0.1ph值的增加是顯著的。如果你的pH值改變了1,你就會殺死細胞。如果過了幾天,我對我的pH值測量結果毫無信心,那么我就不會使用這種測量方法了。”

另一方面,如果研究人員每次必須測量細胞培養液的pH值時都會干擾生長中的細胞,那么科學家們在測量中引入了另一種不確定性,因為它們正在改變細胞的環境。

Ahmed說,這類研究需要的是一種測量系統,該系統可以留在培養箱中,無需一次或數周地取出或校準。

在此版本的實驗中,培養皿中裝有酚紅溶液,酚紅溶液會根據酸性改變顏色。左側溶液的較低pH值使該物質呈深黃色。右側溶液的較高pH值使該物質呈紅色。圖片來源:Jennifer Lauren Lee / NIST

新型光子pH傳感器

多年以來,Ahmed和他的團隊一直在開發光子傳感器,這是一種小型輕巧的設備,它們使用光信號來測量一系列質量,包括溫度、壓力和濕度。

這些新設備中的一些使用商業上可用的、用布拉格光柵刻蝕的柔性光纖,布拉格光柵是一種用于反射特定波長并允許其他波長通過的濾光器,溫度或壓力的變化會改變可以通過光柵的光的波長。

為了使他們的光子器件適應pH值的測量,Ahmed和Hartings依靠科學上一個著名的概念:當物體吸收光時,吸收的能量“必定會流到某個地方”,Ahmed說,在許多情況下,能量轉化為能量熱。

Ahmed說:“對于每個單獨的光子,產生的熱量都是非常小的能量。但是,如果有很多光子進入,并且有很多分子,那么熱量就會發生明顯的變化。”

為了證明這一點,科學家們使用了一種可響應pH值變化而變色的物質,這是許多人在生物課上可能記得的一種物質:紅甘藍果汁粉。甘藍汁的顏色由深紫色變為淺粉色,這取決于溶液的酸度,這種顏色的變化可以被Ahmed的光子溫度傳感器捕捉到。

研究人員在培養皿中注入甘藍汁溶液。將一根光纖被放置在培養皿上方,將其連接到激光指示器,并將光線照射到樣品上。將第二根光纖物理地嵌入液體中,第二根光纖包含布拉格光柵,用作溫度傳感器。Ahmed的小組手動控制溶液的pH值。

為了進行測量,研究人員將一種顏色的光(如紅色)從上方照射到樣品中。甘藍汁根據其顏色不同程度地吸收了紅光,其顏色取決于當時溶液的pH值。光子溫度計光纖捕捉到果汁熱量的這些細微變化,溫度的變化會改變通過光纖布拉格光柵的波長。接下來,研究人員將第二種顏色的光(如綠色)照射到液體中,并重復這一過程。通過比較每種顏色的光產生多少熱量,研究人員可以確定當時甘藍汁的確切顏色,這告訴他們pH值。

“從字面上講,我們可以打開和關閉兩個激光指示器幾分鐘,看看是否可以將其變成pH計,而且我們能夠證明它在從pH值4到pH值9或10很寬的范圍內起作用。”

正在進行的工作表明,光子pH測量值精確到正負0.13個pH單位,并且至少穩定三周,比傳統測量值長得多。

研究人員說,根據他們的組織工程合作者的說法,新的光子傳感器可以為正在研究的一系列生物系統,特別是心臟和骨細胞的生長提供有用的信息。

上面的光盤是包含稱為酚紅的pH敏感染料的聚合物(一種塑料)的樣品。這五種顏色分別對應五個不同的pH值。研究人員正在嘗試在聚合物材料中注入酚紅作為其溫度感應光纖的涂層。圖片來源:Jennifer Lauren Lee / NIST

在下一輪已經開始的實驗中,NIST的研究人員正在使用另一種對pH敏感的染料酚紅。此外,他們正在努力將染料包裹在纖維本身周圍的塑料涂層中,使其不與細胞培養基相互作用。在專門從事組織工程研究的NIST同事的幫助下,該小組還在真實細胞培養中對該系統進行了首次測試。

未來的計劃包括測量超過pH值的量,這只需要將酚紅換成一種對研究人員想要測量的任何性質都敏感的另一種染料。

NIST研究人員還將測試由于這種測量方法而導致的樣品局部區域的輕微暫時溫度變化(約1-2開爾文)對細胞培養的影響。Ahmed說,到目前為止,潛在的合作者并沒有過分擔心局部加熱的問題,他的團隊將致力于盡可能減少溫度變化。

Ahmed希望在將來,該測量方案能夠用于監視真實人體中組織的生長。Ahmed說:“長期目標是能夠將植入式設備放入想要生長骨骼和肌肉的人體內,然后隨著時間的流逝,傳感器可以被設計成能溶解掉,不必再取出它們。”

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