一款受到《星艦迷航記》(Star Trek)三度儀(tricorder)啟發而且能針對癌症或心臟病進行快速準確診斷的可攜式裝置即將實現。蘇格蘭科學家表示,他們開發的裝置可望造福世界各地的人們,更快地獲得迅速準確的醫療診斷。

英國蘇格蘭格拉斯哥大學(University of Glasgow)的研究人員開發出一種新的「多度儀」(multicorder),可配對手持式CMOS感測器以及基於Android的智慧型手機或平板電腦應用程式(App),用於測量患者體液樣本中的各種代謝物濃度,從而有助於簡化慢性心臟病和前列腺癌的檢測。

該裝置具備同步快速檢測和量化多種代謝生物標記的能力,使其特別適用於心臟病發作、癌症和中風等情況,在這些病發時能快速診斷對於有效治療極其關重要。

研究人員在其發表於《生物感測器與生物電子》(Biosensors and Bioelectronics)期刊中的「單晶片同步測量多種疾病相關代謝物的整合型可攜式系統」(An integrated portable system for single chip simultaneous measurement of multiple disease associated metabolites.)一文中介紹,該CMOS晶片表面由一個被分為多個反應區的16 × 16畫素陣列組成(其實是4個獨立的微孔,每個微孔用於一種特定代謝物),以同時檢測並量化來自血清或尿液等體液的4種代謝物。該裝置能以任何Android平板電腦或智慧型手機進行操作,提供資料擷取、運算、可視化和電源等。

20180927_multcorder_NT01P2 該裝置能以任何Android手機或平板電腦進行操作(來源:University of Glasgow)

該論文的主要作者、格拉斯哥大學工程學院教授Samadhan Patil表示,「我們已經能夠用這種裝置同步檢測和測量與心肌梗塞、心臟病和前列腺癌有關的多種代謝物了。該裝置具備在早期階段追蹤疾病進展的潛力,非常適合醫生對病情發展的預後。」

20180927_multcorder_NT01P3 內建晶片比指尖更小,並分為多個反應區(來源:University of Glasgow)

該研究計劃的首席研究員David Cumming補充說:「能夠精確測量代謝物的低成本手持式診斷裝置,開啟了廣泛的醫學應用領域;隨著這一最新發展,讓我們更進一步將這樣的裝置推向市場。這是一項令人興奮的突破,我們渴望繼續發展迄今所開發的技術。」

研究人員表示,這種手持式裝置提供了代謝物組學(metabolomics)的民主化,使其得以從實驗室走出來,並為研究不同疾病的複雜途徑提供一種低成本的替代方案。

晶片細節

研究人員在文中介紹該晶片感測器尺寸為3.4mm×3.6mm,採用艾邁斯半導體(ams) 350nm三阱(triple-well)製程。該晶片採用Cadence Virtuoso軟體套件設計,搭載16×16感測器畫素陣列,有效面積為1.6mm×1.6mm。

該CMOS晶片的有效面積(具有感測器畫素陣列)表面由4個600 µm × 600 µm x 1500 µm (高)的聚二甲基矽氧烷(PDMS)微塊加以保護。這些PDMS微塊具有兩種作用:作為犧牲材料,幫助塑造黑色環氧樹脂的微鑄件以製造微孔;其次,保護CMOS晶片的主動畫素陣列區域免受環氧樹脂的損壞或經由刮痕造成的物理損壞。這些PDMS微塊使用覆晶接合器(Semiconductor Equipment Corporation, Model 850)的輔助平移台,小心地放置於主動畫素陣列的頂部。

20180927_multcorder_NT01P4 (a) 搭載16 x 16感測器畫素陣列的CMOS感測器晶片 (b) 顯示單一感測器畫素的晶片放大圖

將環氧樹脂混合物小心地傾析在PDMS微塊周圍的CMOS晶片表面和接觸墊上。在最高溫度60°C過夜固化會導致環氧樹脂硬化。將約8mm高的透明塑料環放置在陶瓷晶片載體上的CMOS晶片周圍以形成反應細胞。使用黑色環氧樹脂的選擇性微腔鑄造製造出4個象限隔離壁。這些微孔具有移液管通道,這意味著它不需要微管或泵來處理液體,從而避免了複雜的液體處理程序。該方法還允許試劑與微孔瞬時混合,避免微管可能引入的流體行進延遲,以縮短測定時間。

20180927_multcorder_NT01P5 單一感測器像素的光學輪廓測量顯微照片顯示光電二極體

編譯:Susan Hong

(參考原文:CMOS Sensor Detects Chronic Conditions via Android App,by Nitin Dahad)