NIST團隊近日發(fā)表在《傳感器和執(zhí)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(shè)計也可以用來測量其他質(zhì)量，例如鈣，細胞生長因子和某些抗體的存在。

與傳統(tǒng)的傳感器不同，這種測量方法可用于長期(一次連續(xù)數(shù)周)監(jiān)測細胞培養(yǎng)中的環(huán)境，而無需定期干擾細胞來校準傳感儀器。NIST化學(xué)家Zeeshan Ahmed說，在幾天或幾周內(nèi)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?”

一個帶有兩根光纖的空培養(yǎng)皿，說明了研究人員實驗的一種形式。左側(cè)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(yǎng)皿中發(fā)出綠色、紅色或藍色的光，以調(diào)節(jié)溫度傳感器測量的信號。美國國家標(biāo)準技術(shù)研究院(NIST)的科學(xué)家通過開發(fā)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(lǐng)域提供了支持。美國大學(xué)化學(xué)家、NIST客座研究員Matthew Hartings說：“這些傳感器能給人們提供有關(guān)組織生長和疾病進展的實時信息。傳統(tǒng)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(xué)家提供連續(xù)的信息，相當(dāng)于一個GPS疾病導(dǎo)航應(yīng)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(fā)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(yù)防或支持患者體內(nèi)正在發(fā)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(huán)境自然變得更酸性。如果環(huán)境變得太酸或太堿性，細胞就會死亡。科學(xué)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(shù)細胞而言，理想的環(huán)境是在pH值約為7的狹窄范圍內(nèi)。

商用pH儀器具有很高的準確性，但不穩(wěn)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(shù)。如果不進行校準，這些傳統(tǒng)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(xué)研究需要幾周的時間，干細胞培養(yǎng)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(jié)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(yǎng)液的pH值時都會干擾生長中的細胞，那么科學(xué)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(huán)境。Ahmed說，這類研究需要的是一種測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以留在培養(yǎng)箱中，無需一次或數(shù)周地取出或校準。

在此版本的實驗中，培養(yǎng)皿中裝有酚紅溶液，酚紅溶液會根據(jù)酸性改變顏色。左側(cè)溶液的較低pH值使該物質(zhì)呈深黃色。右側(cè)溶液的較高pH值使該物質(zhì)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(fā)光子傳感器，這是一種小型輕巧的設(shè)備，它們使用光信號來測量一系列質(zhì)量，包括溫度、壓力和濕度。這些新設(shè)備中的一些使用商業(yè)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(yīng)pH值的測量，Ahmed和Hartings依靠科學(xué)上一個著名的概念：當(dāng)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(zhuǎn)化為能量熱。Ahmed說：“對于每個單獨的光子，產(chǎn)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(fā)生明顯的變化。”

為了證明這一點，科學(xué)家們使用了一種可響應(yīng)pH值變化而變色的物質(zhì)，這是許多人在生物課上可能記得的一種物質(zhì)：紅甘藍果汁粉。甘藍汁的顏色由深紫色變?yōu)闇\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(yǎng)皿中注入甘藍汁溶液。將一根光纖被放置在培養(yǎng)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(jù)其顏色不同程度地吸收了紅光，其顏色取決于當(dāng)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(fù)這一過程。通過比較每種顏色的光產(chǎn)生多少熱量，研究人員可以確定當(dāng)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(guān)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(nèi)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(wěn)定三周，比傳統(tǒng)測量值長得多。研究人員說，根據(jù)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(tǒng)，特別是心臟和骨細胞的生長提供有用的信息。

未來，醫(yī)生們可能會為在戰(zhàn)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(yī)學(xué)專業(yè)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(nèi)，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(gòu)建可植入患者體內(nèi)的復(fù)雜器官。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(zhì)都敏感的另一種染料。Ahmed希望在將來，該測量方案能夠用于監(jiān)視真實人體中組織的生長。Ahmed說：“長期目標(biāo)是能夠?qū)⒅踩胧皆O(shè)備放入想要生長骨骼和肌肉的人體內(nèi)，然后隨著時間的流逝，傳感器可以被設(shè)計成能溶解掉，不必再取出它們。”