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圖一 : 1980年穿戴式產品用感測技術的演變和歷史(source:Science translational medicine;作者整理)
圖一 : 1980年穿戴式產品用感測技術的演變和歷史(source:Science translational medicine;作者整理)

【作者: 盧傑瑞】

近年來,伴隨著醫療手法已從治療醫學轉向預防醫學,對高感度生物感測技術的需求不斷增加。例如,透過比以往更高靈敏度的檢測疾病的生物分子,可提早發現疾病,從而及時採取各種醫療措施來延長健康預期壽命。此外,在COVID-19和後COVID時代,對於生物感測的應用需要更高的靈敏度,來達到防止各種變異病毒的散播感染。其中,利用高感度光學生物感測技術所開發出的穿戴式產品,也就成為預防醫學領域中備受關注的技術。

先進的光學生物感測元件已經被廣泛的應用,包括醫療健康監測、遠端監測、家庭照護、疾病檢測、農藥殘留現場監測等。尤其對於監測血壓、血氧、體溫、血糖、體液、脈搏和心率、電解質、藥物、內分泌和代謝等的醫療健康監測方面,近年來更是光學生物感測元件最大的應用市場,而所展現出來的各種產品外貌,包括智慧手錶、手套、貼片、紋身、面罩、腕帶、衣服和血糖機。

各式的光學生物感測器

光學生物感測器主要是透過測量波長、相位和強度的變化來測量各種變化,包括化學、物理和生物變化。所以關鍵組件包括了軟性基板、將一種訊號轉換為另一種訊號的感測結構以及目標分析物。

為了提高感測器的性能,需要自組裝單層、多孔材料以及水凝膠或聚合物塗層。對於各種生物感測器設計,已經有各種二維材料,包括碳和碳衍生的奈米材料,以及過渡金屬二硫化物基材料被開發出來。也因此,基於不同的量測目標採用了不同的原理與材料,開發出各種光學生物感測元件來達到所期望的量測結果。以下將簡單說明目前較為主流的幾種光學生物感測元件技術與結構。

色度感測器

色度生物感測器是一種基於水凝膠的表皮多訊號感測器,該水凝膠是利用各種二元溶劑(例如甘油和水)中用單寧酸、聚丙烯酸和聚丙烯?胺,塗覆纖維素奈米晶體而製成的,經過20℃長期保存45天候,可產生良好的附著力、拉伸性、透明度,更可同時監測pH、溫度和光週(light simultaneously),主要用於監測汗液生物標誌,包括氯化物(25~100 mM)、葡萄糖(25~100 μm)、pH值(5.0~6.5)和乳酸濃度(5~20 mM),以及出汗率、流失量和溫度(32~37°C)。

螢光感測器

利用螢光技術的微流體生物感測器,可用來量測汗液中氯化物、鈉和鋅的濃度。如圖二所示,將檢體和螢光試劑放置在微室內,當汗液和螢光形成混合物時,可從螢光微室中去除遮光膜,並利用智慧手機的光學模組捕獲微室的螢光影像。採用纖維素材料的螢光穿戴式貼片可對葡萄糖、乳酸、pH、氯化物和汗液生物標記進行多重感測。

圖一 : 1980年穿戴式產品用感測技術的演變和歷史(source:Science translational medicine;作者整理)
圖一 : 1980年穿戴式產品用感測技術的演變和歷史(source:Science translational medicine;作者整理)

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2023.10月(第383期)AI智慧醫療
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