研究团队开发用于大脑化学分析的纳米级设备

生物医学研究中的长期挑战，如监测大脑化学和追踪药物在体内的传播，需要更小、更精确的传感器。一种新的纳米级传感器，可以监测比当前技术小1000倍的区域，并可以以亚秒的分辨率跟踪生物组织化学成分的细微变化，大大优于标准技术

该设备由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开发，以硅为基础，利用了为微电子制造开发的技术。该设备体积小，能够在几分之一秒内以接近100%的效率从组织的高度局部化区域收集化学成分。这种新型纳米透析设备的性能发表在《ACS Nano》杂志上

“通过我们的纳米透析设备，我们采用了一种既定的技术，并将其推向了一个新的极端，使以前不可能的生物医学研究问题现在变得非常可行，”美国大学电气与计算机工程教授、该研究的联合负责人Yurii Vlasov说。“此外，由于我们的设备是使用微电子制造技术在硅上制造的，因此可以大规模制造和部署。”

从微透析到纳米透析

纳米透析是基于一种称为微透析的技术，在这种技术中，将带薄膜的探针插入生物组织。化学物质通过膜进入流体中，然后被泵出进行分析。直接从组织中取样的能力在神经科学、药理学和皮肤病学等领域产生了重大影响

不过，传统的微透析有局限性。探针的采样面积只有几平方毫米，因此它们只能测量组织中相对较大区域的平均成分。当插入探针时，较大的尺寸也会导致一定程度的组织损伤，可能会使分析结果发生偏差。最后，泵送通过探针的流体以相对较高的速率流动，影响了读取化学浓度的效率和准确性

Vlasov说：“传统微透析的许多问题可以通过使用更小的设备来解决。”。“纳米透析越小，意味着精度越高，组织放置造成的损伤越小，以更高的空间分辨率对组织进行化学绘图，读出时间也快得多，可以更详细地了解组织化学变化。”

缓慢而稳定

纳米透析最重要的特点是通过探针泵送的流体流速极慢。通过使流速比传统微透析慢1000倍，该设备捕获从比传统技术小1000倍的区域收集的组织的化学成分，同时保持100%的效率

Vlasov解释道：“通过大幅降低流速，化学物质可以扩散到探针中，与组织外部的浓度相匹配。”。“想象一下，你正在用流动的水向管道中添加染料。如果流速过快，染料会被稀释到难以检测的浓度。为了避免稀释，你需要几乎一直把水调小。”

硅制造和生产

标准微透析设备是用玻璃探针和聚合物膜建造的，这使它们成为小型化的挑战。为了制造适合纳米透析的设备，研究人员使用为电子芯片制造开发的技术制造了一种基于硅的设备

Vlasov说：“硅技术除了使我们能够缩小规模外，还使设备更便宜。”。“通过投入时间和精力开发一种在硅上构建纳米器件的制造工艺，现在可以非常简单地以难以置信的低成本在工业规模上制造它们。”

美国大学生物工程教授、格兰杰工程学院院长Rashid Bashir共同领导了该项目