采用微型传感器技术对医疗患者进行加速测量

埃博拉，一小撮非洲国家的瘟疫，让人联想到全球的恐惧，并具有科学，政治，人道，甚至技术的影响。人们质疑采取严厉措施，例如关闭我们的寄宿生并将许多人隔离检疫，但如果感应设备能够在危机爆发之前快速检测到疾病爆发，该怎么办呢？传感器技术的最新发展实际上让我们比你想象的更接近现实。

爱尔兰利默里克大学最近在Nature Materials Journal报道，他们正在努力解决使用传感器的主要挑战只测试一个分子进行诊断。测试一种分子的好处包括低成本和在现场快速进行此类测试的能力。然而，到目前为止，当测试中的单个分子被放置在电子传感器中时，传感器噪声干扰了对分子性质的纯粹测试。

大学的研究人员利用距离概念取得了突破。它们能够轻微地分离分子和传感器，保持距离，确保准确的分析，但充分处理噪音。通过向测试中的分子添加硅油并将混合物置于原子厚的烷烃层上，分子缓慢地在传感器表面上移动，并且烷烃保持必要的距离。虽然该领域尚未提供，但该技术有望用于检测艾滋病，普通感冒等疾病，甚至可能甚至是埃博拉病毒。

目前，许多其他研究项目也在使用传感器进行医疗诊断。例如，Google X正在研究使用磁性纳米粒子和可穿戴传感器进行疾病检测。该概念涉及在血液中循环并将其自身附着于多种患病细胞的纳米颗粒，以检测癌症，钠水平，斑块等。这些设备佩戴在身体上并检测纳米颗粒并向医疗保健专业人员报告结果。然而，该项目距离商业化还有大约五到七年的时间。谷歌甚至设计了隐形眼镜，它有一个无线芯片和一个嵌入两层软性隐形眼镜材料之间的微型葡萄糖传感器，以帮助糖尿病患者试图保持血液正在探索纳米电子器件（例如，碳纳米管，石墨烯等）用于液体和气体材料的各种传感应用。

特别是，纳米技术显示出化学气相传感的前景;这里纳米材料的一个优点是它们不受基于液体的检测中通常使用的溶剂的干扰。正在开发的用于纳米电子传感的最常见的传感机制依赖于电荷的检测。吸附材料和纳米材料之间的电荷转移改变了表面电荷密度，改变了传感器的电导。不幸的是，直到最近，纳米电子蒸汽传感器的响应时间对于许多实际应用来说都太慢了。但是，这可能很快就会发生变化：密歇根大学正在开发一种可穿戴式蒸汽传感器，旨在克服这个限制。

研究人员的方法利用石墨烯场效应晶体管（GrFET）作为高频（大于100 kHz）混频器，表面吸附分子作为振荡门。由AC驱动电压激发的振荡分子偶极子在石墨烯通道中引起电导调制;该电导与AC激励频率混合，产生外差混合电流。该系统在论文“用于快速和敏感蒸汽检测的石墨烯纳米电子外差传感器”中有所描述，发表于Nature Communications.2。据称这种技术可以产生十分之一秒的极快响应时间，而不是数十或者十分之一。现有技术中典型的数百秒。据说该原型还具有高灵敏度（低至约1 ppb）密歇根大学开发的纳米技术传感器将能够探测通过皮肤呼出或释放的空气传播化学物质。

事实上，密歇根州科学家的目标是创造出第一个可穿戴的化学物质，而不是物理属性。 U-M的研究人员正在与美国国家科学基金会的创新团队计划合作，将该设备从实验室转移到市场，以提供持续的疾病监测。可穿戴传感器有望能够检测到大量化学物质，包括一氧化氮和氧气，其中异常水平存在于高血压，贫血或肺病患者中。研究人员声称，正在开发的设备比现有技术更快，更小，更可靠，现有技术通常也太大而无法考虑可穿戴设备。

当纳米电子 - 石墨 - 蒸汽传感器嵌入到现有技术中时，该技术可行。微气相色谱系统。整个系统可以集成在单个芯片上，具有低功耗操作，并嵌入在可以佩戴在身体上的徽章大小的设备中。

用于诊断应用的可用传感器

创新包装将是开发可穿戴或一次性诊断传感器的重要部分。例如，飞思卡尔半导体开发了一种低成本，高容量，微型压力传感器封装 - 飞思卡尔的Chip Pak--非常适合作为子模块组件或一次性装置。飞思卡尔MPX2300DT1高容量压力传感器用于医疗患者监测，包括压力导管应用和有创血压监测仪。这种新型芯片载体封装采用飞思卡尔半导体独特的传感器芯片，具有压阻技术和片上薄膜温度补偿和校准功能。

有机硅介电凝胶覆盖硅压阻式传感元件。该凝胶被认为是一种无毒，无过敏性的弹性体系统，符合所有USP生物测试V级要求。凝胶的特性使其能够将压力均匀地传递到隔膜表面，同时将内部电连接与流体的腐蚀作用隔离，例如盐水溶液。凝胶提供足以承受除颤测试的电隔离，如提出的血压传感器医疗器械促进协会（AAMI）标准中所规定的。凝胶中生物医学认可的不透明填料可防止明亮的手术室灯影响传感器的性能。

业界最新产品是Silicon Labs Biometric EXP评估板（图2），这是一款用于EFM32 Starter的硬件插卡套件（STK）。 Biometric-EXP演示和评估公司的Si7013湿度和温度传感器以及Si1146接近/UV/环境光传感器的生物识别应用，能够监测脉搏率和氧饱和度（SpO2）。除了Silicon Labs传感器，Biometric-EXP EVB还包含Silicon Labs的TS3310升压DC-DC转换器。

图2：连接到Biometric-EXP（右）的EFM32 Wonder Gecko STK（左）。

该软件可以显示湿度，温度，UV， Wonder Gecko STK显示屏上的脉搏率和SpO2读数。除了两个传感器外，还包括一个6针带状电缆连接器，用于连接基于腕部的心率监测器EVB（单独订购）和20针扩展接头以及低功耗电池供电，以延长电池寿命。演示软件源代码也可用。 USB调试模式允许将HRM和SpO2样本传输到PC和Windows GUI，以便可视化脉冲信号并从USB调试模式记录样本。

定制压电薄膜传感器，如1004308压电薄膜设计套件（不再来自Measurement Specialties（图3）的应用可用于医疗诊断，监测，脉冲计数，胎儿心脏监测，呼吸暂停监测，麻醉监测，呼吸气流，睡眠障碍和起搏器活动测量。

图3：测量专业压电薄膜基本设计套件包括典型应用，所有压电产品的数据表，技术手册，接口电路以及薄膜，电缆，开关，闪烁和加速度计的样品。

专业医疗应用，较厚的薄膜和高灵敏度的非标准形状是必要的，这可以通过Measurement Specialties提供的各种薄膜实现。对于并行布线配置，可以定制额外的堆叠选项，其中薄膜元件被层压和布线，以提供每单位表面积更高的电容。此选项也可用于创建屏蔽传感器或加速消除设备。

更多生物传感器应用

如今，儿童的心脏病和肺炎检测只是生物传感器平台中不断增长的应用中的两个。仅心脏病每年导致超过1750万人死亡。在这种情况下，生物传感器被用作快速筛查工具，用于检测早期疾病生物标志物并对患者的病情进行分类。早期检测的结果应该对减少死亡人数产生重大影响，因为在导致致命事件之前通常不会发现心脏病。

传感器目前正在通过将多种临床检测方法整合到单个便携式设备中来缩短分析时间称为芯片实验室（LOC）的设备。例如，在科罗拉多州立大学电子与计算机工程系和化学与生物工程系合作的研究人员已开发出一种多分析物（经过分析的物质）光电传感芯片，该芯片具有集成的光电探测器阵列并利用现有的半导体制造技术。波导，光源，光电探测器，结合区域和样品递送系统可以集成到单个硅CMOS微芯片上，使其成为微流体感测LOC。与利用荧光检测结合事件的典型基因微阵列技术相比，该技术能够直接以数字格式输出数据，因为传统的IC元件可以合并到芯片中。

正如我们之前讨论的那样，诊断的未来在于基于先进传感器技术的可穿戴嵌入式电子设备。这些装置可以采用健身追踪器和手表的形式，能够从我们身体排出的空气中有机化合物中检测出糖尿病和癌症等疾病。结果将是医学诊断和治疗的革命。