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生物感测器开启感知新价值
市场萌芽 迈向高速成长

【作者: 丁于珊】2013年11月18日 星期一

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在大量运动过后的肌肉酸痛是几乎所有人都曾有过的经验,过多的乳酸堆积而未被身体代谢掉,让许多人在运动过后的几天内感觉全身酸痛不已。不过,未来这样的问题有了感测器的帮助下,也许可以不再发生。


这是一种新型的感测器,如同纹身贴纸一般,黏贴到皮肤上,能够精准的测量出运动时,汗水中的乳酸含量,借此提醒马拉松选手、运动员或从事极端运动的人他们即将到达极限,这一类能够读取人体生理资讯的感测器被称为生物感测器(Biosensor)。


感测器已成为目前生活中不可或缺的重要工具之一,不少资讯都有赖感测器来检测,提供比人体五官更为精准且大量的资料量,而其应用范围也越来越广泛。其中,生物感测器更在这五年内展现了巨大的成长潜力。


根据Transparency Market Research研究指出,其市场成长快速,预计将从2012年99亿美元的市场规模成长至2018年的189亿美元。科技大厂IBM更是早已看到这样的趋势,在2011年所预言的未来五年五大科技内,就已将生物辨识技术列入其中。


生物感测迎向医疗新趋势

生物感测器结合了化工、电子、光学、机电、热敏电阻等技术,通常由两个部分组成,其一为生物识别单元,对于目标物具有相互作用的能力,可监测特定分子变化;其二为转换器,用来将溶液或液体等组成物转换为可记录的讯号,这些可记录的讯号在经过分析之后能适用于多种应用。


尽管这一类的生物感测技术仍处于发展阶段,但生物感测器的应用已越来越多元化,包括糖尿病监测、心电监护、用药效果、农业环境监测、生物防御等。事实上,生物感测器并不是一个新的概念,最早被开发出来的产品就是众所皆知的血糖计,这也是目前生物感测器商用化最成功的产品。



图一 : 透过生物传感器,医生能够更为了解病人身体状况。
图一 : 透过生物传感器,医生能够更为了解病人身体状况。

近年来,随着技术的进步,生物感测器转变成更小、更人性化、并且可以探测多个目标。尤其,在全球医疗产业朝向个人化、小型化、微型化的趋势发展,生物感测器或者由多个生物感测器所组成的生物晶片以微型化、精准量测的优势,成为关键研发的技术之一。如果能够更简单、迅速、准确且低成本的诊断出病患身体状况,将会改变医疗保健体系,并且有效控制连年不断提高的医疗成本。


针对生物感测器的多种优势,生物感测技术已引起许多企业的注意力,并争相投入研发,应用于医疗产业上的产品更有许多已经进入临床试验,或什至真正应用于病患医治上,例如智慧药丸、释药晶片就是目前常见的一种应用。


小药丸发挥大效用


图二 : 由数字健康咨询服务公司Proteus Digital Health所开发出的智能药丸,当吃下去后,会产生类心电图讯号,并透过体外的装置来撷取信号。
图二 : 由数字健康咨询服务公司Proteus Digital Health所开发出的智能药丸,当吃下去后,会产生类心电图讯号,并透过体外的装置来撷取信号。

智慧药丸中包含了一个生物感测器及病人监测器,当病人吃下药丸后,内部的感测器不仅可在胃中接触水分之后发出讯号,提醒医护人员用药情况,同时也能够侦测病人病况变化,让医护人员能够更精准掌握病患病情,调整用药剂量。目前已有许多知名企业看重这样的市场,纷纷进行投资、布局市场,如Oracle(甲骨文)和制药公司Novartis及Proteus正着手开发新的智慧药丸,希望尽一步改善患者的监测和诊断。


目前在欧美部分国家,智慧药丸已经通过美国食品暨药物管理局(FDA)批准,可用于病患治疗,并且FDA日前也已经放宽这一类产品的法规审核标准,预计智慧药丸在未来几年内将会有蓬勃的发展。


在俄罗,水凝胶生物晶片更已经被实际应用于诊断分析,且行之有年。这项技术广泛应用于各种细菌、病毒的病源体鉴定,可以诊断癌症相关及突变蛋白质所引起的肿瘤等临床情况。而日本,DNA生物晶片也有类似的应用,显示出生物感测器或晶片的应用已逐年扩大规模。台湾目前也已经有不少相关研究,只是碍于医疗法规,还未进入临床试验阶段。



图三 : 美国伊利诺大学香槟分校研究人员开发出一款透过iPhone内建相机和处理能力就可发挥效用的生物传感器。
图三 : 美国伊利诺大学香槟分校研究人员开发出一款透过iPhone内建相机和处理能力就可发挥效用的生物传感器。

iPhone也能测病毒

此外,在行动装置的高渗透率之下,一些人也将脑筋动到上头,开发出结合生物感测与智慧手机的应用,在美国伊利诺大学香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的研究人员就已开发出一款透过iPhone内建相机和处理能力就可发挥效用的生物感测器。


此感测系统包括一个含有一组光学组件的iPhone底座以及一个应用程式,只要将iPhone放在底座上,并将相机对准这组光学组件,就能够进行检测。其应用原理是在生物感测器上涂布了光子材料。此光子材料仅会反应单一波长的光,并让其余频普通过,因此当蛋白质、细胞等物体附着在光子材料上时,波长将会由短波转换为长波。


这款设备可应用于毒素、蛋白质、细菌、病毒等分子检测,只需要几分钟的时间,就能够检测出结果,这将会大幅提升检测速度,且易于携带的特性更增加了易用性,并且能够即时得知资讯,包含追踪地下水污染、低成本的医疗诊断、食品加工过程的污染物检测、或者结合GPS和生物感测资讯来得知病原体传播情况等。此外,这款200美元的光学组件,所量测出的精准度几乎能够媲美大型实验室中要价5万美元的分光光度计。


结论

然而,可惜的是,尽管全球已有许多企业投入生物感测器的相关研发,但目前最成功且广泛应用的产品仍然只有血糖计,其他大多仍处于实验室中的概念或展示阶段。其中除了技术是一大挑战之外,价格及安全性也是一大问题。


对于智慧药丸、释药晶片这一类产品而言,属于一次性使用的类型,然而现今这些感测器及晶片价格仍然昂贵,未能达到普遍大众所能接受的门槛。而用于人体内的产品对于安全及量测精准度要求势必更高,在测得讯号后的分析准确性也还必须有更多的研究及开发。


此外,使用这些技术的医护人员也必须有足够的知识来调整或修改感测器和晶片,另一方面,对于病患来说,"操作简单”则是最基本的要求。要将实验室的研究成果实际商品化,这些问题都不可忽略,目前整体的应用市场仍处于刚起步阶段,若能解决以上问题,预计生物感测器将会大幅改变人们现今的生活。


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