NIST科学家开发新型光基传感器研究实验室中的组织生长

 NIST团队近日发表在《传感器和执行器B》上的概念验证工作展示了一种小型传感器，该传感器使用基于光的信号来测量pH值，pH值是酸度的测量单位、是细胞生长研究中的一个重要属性。同样的基本设计也可以用来测量其他质量，例如钙，细胞生长因子和某些抗体的存在。

与传统的传感器不同，这种测量方法可用于长期(一次连续数周)监测细胞培养中的环境，而无需定期干扰细胞来校准传感仪器。NIST化学家Zeeshan Ahmed说，在几天或几周内实时观察组织的特性(随着它们缓慢变化)可以大大有助于组织工程的研究，以生长牙齿、心脏组织、骨骼组织等。Ahmed说：“我们希望制造出可以放入生长组织中的传感器，为研究人员提供定量信息。组织真的在生长吗?它健康吗?如果你长了一块骨头，它是有合适的机械性能，还是太弱而不能支撑身体?”

一个带有两根光纤的空培养皿，说明了研究人员实验的一种形式。左侧光纤(通常是红外光，但此处显示为可见的红光)是温度传感器。顶部光纤向培养皿中发出绿色、红色或蓝色的光，以调节温度传感器测量的信号。美国国家标准技术研究院(NIST)的科学家通过开发一种有前途的新型光基传感器来研究实验室中的组织生长，为这一研究领域提供了支持。美国大学化学家、NIST客座研究员Matthew Hartings说：“这些传感器能给人们提供有关组织生长和疾病进展的实时信息。传统的传感器给研究人员提供一系列的快照，而不显示这些点之间的路径。但光子传感器可以为科学家提供连续的信息，相当于一个GPS疾病导航应用程序。我们希望为研究人员提供随着组织健康成长或患病而发生的增量变化的详细图。一旦研究人员知道疾病正在蔓延，那么他们就可以更好地预防或支持患者体内正在发生的变化。”

商用pH仪器的缺陷

pH值的测量是组织工程研究的重要组成部分。随着细胞的生长，它们的环境自然变得更酸性。如果环境变得太酸或太碱性，细胞就会死亡。科学家们测量的pH值范围从0(非常酸性)到14(非常碱性)，对于大多数细胞而言，理想的环境是在pH值约为7的狭窄范围内。

商用pH仪器具有很高的准确性，但不稳定，这意味着它们需要频繁地进行校准以确保日常的准确读数。如果不进行校准，这些传统的pH仪器每天就会损失高达0.1个pH单位的准确度。而组织工程学研究需要几周的时间，干细胞培养物可能需要生长近一个月才能变成骨骼。Ahmed说：“0.1ph值的增加是显著的。如果你的pH值改变了1，你就会杀死细胞。如果过了几天，我对我的pH值测量结果毫无信心，那么我就不会使用这种测量方法了。”

另一方面，如果研究人员每次必须测量细胞培养液的pH值时都会干扰生长中的细胞，那么科学家们在测量中引入了另一种不确定性，因为它们正在改变细胞的环境。Ahmed说，这类研究需要的是一种测量系统，该系统可以留在培养箱中，无需一次或数周地取出或校准。

在此版本的实验中，培养皿中装有酚红溶液，酚红溶液会根据酸性改变颜色。左侧溶液的较低pH值使该物质呈深黄色。右侧溶液的较高pH值使该物质呈红色。图片来源：Jennifer Lauren Lee / NIST

新型光子pH传感器

多年以来，Ahmed和他的团队一直在开发光子传感器，这是一种小型轻巧的设备，它们使用光信号来测量一系列质量，包括温度、压力和湿度。这些新设备中的一些使用商业上可用的、用布拉格光栅刻蚀的柔性光纤，布拉格光栅是一种用于反射特定波长并允许其他波长通过的滤光器，温度或压力的变化会改变可以通过光栅的光的波长。

为了使他们的光子器件适应pH值的测量，Ahmed和Hartings依靠科学上一个著名的概念：当物体吸收光时，吸收的能量“必定会流到某个地方”，Ahmed说，在许多情况下，能量转化为能量热。Ahmed说：“对于每个单独的光子，产生的热量都是非常小的能量。但是，如果有很多光子进入，并且有很多分子，那么热量就会发生明显的变化。”

为了证明这一点，科学家们使用了一种可响应pH值变化而变色的物质，这是许多人在生物课上可能记得的一种物质：红甘蓝果汁粉。甘蓝汁的颜色由深紫色变为浅粉色，这取决于溶液的酸度，这种颜色的变化可以被Ahmed的光子温度传感器捕捉到。研究人员在培养皿中注入甘蓝汁溶液。将一根光纤被放置在培养皿上方，将其连接到激光指示器，并将光线照射到样品上。将第二根光纤物理地嵌入液体中，第二根光纤包含布拉格光栅，用作温度传感器。Ahmed的小组手动控制溶液的pH值。

为了进行测量，研究人员将一种颜色的光(如红色)从上方照射到样品中。甘蓝汁根据其颜色不同程度地吸收了红光，其颜色取决于当时溶液的pH值。光子温度计光纤捕捉到果汁热量的这些细微变化，温度的变化会改变通过光纤布拉格光栅的波长。接下来，研究人员将第二种颜色的光(如绿色)照射到液体中，并重复这一过程。通过比较每种颜色的光产生多少热量，研究人员可以确定当时甘蓝汁的确切颜色，这告诉他们pH值。

“从字面上讲，我们可以打开和关闭两个激光指示器几分钟，看看是否可以将其变成pH计，而且我们能够证明它在从pH值4到pH值9或10很宽的范围内起作用。”正在进行的工作表明，光子pH测量值精确到正负0.13个pH单位，并且至少稳定三周，比传统测量值长得多。研究人员说，根据他们的组织工程合作者的说法，新的光子传感器可以为正在研究的一系列生物系统，特别是心脏和骨细胞的生长提供有用的信息。

未来，医生们可能会为在战斗中失去手臂的士兵、需要新心脏或肝脏的儿童以及其他有紧急需要的人培育四肢和其他身体组织。如今，医学专业人员可以从病人身上移植细胞，将其沉积在组织支架上，并将支架插入体内，以促进骨骼、软骨和其他特殊组织的生长。但研究人员仍在致力于构建可植入患者体内的复杂器官。未来的计划包括测量超过pH值的量，这只需要将酚红换成一种对研究人员想要测量的任何性质都敏感的另一种染料。Ahmed希望在将来，该测量方案能够用于监视真实人体中组织的生长。Ahmed说：“长期目标是能够将植入式设备放入想要生长骨骼和肌肉的人体内，然后随着时间的流逝，传感器可以被设计成能溶解掉，不必再取出它们。”