笔形探测器

p 　　担心肿瘤切除不彻底?外表看不出异常的组织该不该切?这样的担忧和疑问恐怕不止一位病人和医生有过。 /p p 　　9月6日著名期刊《科学转化医学》杂志以封面的形式发表的重磅研究成果，也许将打消这些顾虑。德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员开发了一种方便快速的笔形探测器，能在10秒之内确定手术切缘组织的良恶性状况，用时是现行病理诊断手段的1/150[1]! /p p style=" text-align: center " img title=" 1.gif" style=" width: 600px height: 338px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/ec6e1f36-58a7-42a7-9ee7-bdc28f5350e7.jpg" width=" 600" vspace=" 0" hspace=" 0" height=" 338" border=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 哪里不清楚?那就点哪里! /strong /p p 　　手术切除实体肿瘤时，对切缘性质的判断是非常关键的。以乳腺癌治疗的保乳术为例，要判定癌灶与正常组织的界限，既要保证尽可能全部切除癌组织，让手术切缘没有癌细胞残留，又要尽可能保留正常组织，以达到外表美观的目的。而对肺癌、卵巢癌等癌症，若手术切除后仍留有癌灶残余，原处复发往往预后不良。因此，完整切除肿瘤并进行准确的切缘判断是手术高质量的体现。 /p p 　　但到底切除范围多大，才能实现完整切除不留后患呢?临床实践中并没有统一的标准，手术中更多要依靠术者根据术前检查结果、肿瘤形态、切除组织量对正常生理功能的影响等因素进行判断，这就为癌症复发留下了可乘之机。 /p p style=" text-align: center " img title=" 2.jpg" style=" width: 316px height: 400px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/4f903cba-8933-43a5-a74c-777fa6eaf912.jpg" width=" 316" vspace=" 0" hspace=" 0" height=" 400" border=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 本期《科学转化医学》封面 /strong /p p 　　当然，医生们也并非全靠着经验和感觉行事，冰冻切片检查可以在手术过程中快速提供病理诊断，但这一方法也存在明显的局限性。冰冻制片过程会影响组织结构和癌细胞形态，因此阅片医生需要丰富经验进行精准判断。虽然相对快捷，但冰冻切片检查过程一般也需要30-40分钟，手术时间延长也会带来病人出现麻醉意外的风险。而如果将病理诊断放到术后进行，若手术切缘的确有癌组织残留，病人可能又要再次经历手术，医疗花费增加、手术并发症风险等一系列问题随之而来[2]。 /p p 　　针对这一问题，近年来也不断有新的技术手段和理念被提出，如术中荧光染色法[3]、拉曼光谱技术[4]、质谱分析法[5]等。基于质谱分析法的多种手段已在开发和应用中，如电喷雾解析质谱(DESI-MSI)、基于快速蒸发电离质谱的智能电子手术刀iKnife[6]等。 /p p style=" text-align: center " img title=" 3.jpg" style=" width: 300px height: 168px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/93861f9f-876c-45a5-9843-afd3e950cec1.jpg" width=" 300" vspace=" 0" hspace=" 0" height=" 168" border=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 智能手术刀iKnife /strong /p p 　　这些方法虽然有着较高的准确性，但也有着各自的局限性。DESI-MSI需要高电压产生电喷雾，限制了其进入手术室实时应用的能力，而iKnife则需对组织进行切除后再作判断。能否有一种无创且便于推广的手段，实现手术过程中的快速病理定性呢? /p p 　　Livia Ebervin带领的德克萨斯大学奥斯汀分校研究团队也许找到了答案。她们开发出了一种实时组织学诊断设备，命名为MasSpec Pen。这支“神笔”是多学科共同努力的结晶，Ebervin带领的化学团队、Thomas Milner教授带领的生物医学工程团队、贝勒大学医学院和MD安德森癌症中心的病理学研究人员携手完成了开发工作。 /p p style=" text-align: center " img title=" 4.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/3623ab76-a0d0-4934-a9cb-0d1d87ecbe84.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong Livia Eberlin教授(左)和论文第一作者张佳玲博士(右) /strong /p p 　　MasSpec Pen的整套设备主要由三个部分组成：一台微量注射泵、双向活瓣导管和形状与一支笔相似的手持探测器。当然，旁边的质谱分析仪也是必不可少。相信看过示意图，很多外科医生会对它的控制方式感到颇为亲切。这不就像整天握在手中的电刀嘛! /p p style=" text-align: center " img title=" 5.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/fbd3740f-46a1-4e92-b55b-309ac97f1170.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong MasSpec Pen设备示意图 /strong /p p 　　用Eberlin教授自己的话来简单介绍一下MasSpec Pen的工作原理：“随着生长失控，肿瘤细胞的代谢会出现明显失调，与正常细胞的差异极大，因此我们用MasSpec Pen对组织进行像采集指纹一样的提取和分析。通过简洁和平缓的化学过程，MasSpec Pen就能在不造成组织损伤的状况下迅速提供给我们诊断所需的分子信息。[7]” /p p 　　以下两张动图可以更好地诠释MasSpec Pen的工作流程。 /p p style=" text-align: center " img title=" 6.gif" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/28d33f75-a63b-4422-ac15-1cb7d4248c21.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 探测器注入极微量的水，提取出病人体内的小分子物质 /strong /p p style=" text-align: center " img title=" 7.gif" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/a148e006-072a-49fd-91f7-9f9482041389.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 提取物传递到质谱分析仪，进行良恶性的判断 /strong /p p 　　整个过程中，探测器接触组织的时间仅需3秒，而判断可在10秒钟之内完成。 /p p 　　当然，为了实现良恶性的判断，还需要首先收集到用来判断的数据。研究人员先从正常的组织中获取了相关的数据图谱，并与DESI-MSI法的结果进行了比对，结果基本一致。再用同样的手段进行对癌组织的检测，标定出与正常组织明显不同的图谱表现，就让“神笔”有了判断的基础。 /p p style=" text-align: center " img title=" 8.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/9a9b744a-221a-4422-ad01-96337d6420a6.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 正常组织(上)和癌症组织(下)的质谱图对比 /strong /p p 　　在实现快速判断的同时，MasSpec Pen的损伤也是极小，相比大手术时动辄十几公分的切口，下图里400微米的取样，基本可以称为完全无创了。 /p p style=" text-align: center " img title=" 9.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/e62bdc51-095d-4a34-972b-987989d028f3.jpg" / /p p 　　 /p p & nbsp /p p & nbsp /p p 　　是时候把“神笔”投入实战了。使用MasSpec Pen，研究人员对包括肺、卵巢、甲状腺、乳腺在内的253份人体组织样本进行检查，其中近半为癌症组织，而这些癌症每种都会出现不同的质谱图。MasSpec Pen的表现没有让人失望，数据分析的结果显示，它的诊断特异性达到了96.2%，敏感性为96.4%! /p p style=" text-align: center " img title=" 10.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/1a547d9d-c020-40f6-9fc4-562dbcc17d04.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong MasSpec Pen对不同类型肿瘤的判断精确度均很高 /strong /p p 　　研究人员随后对MasSpec Pen能否准确区分组织学上的良恶性区域边界进行了测试，同样得到了令人满意的结果，MasSpec Pen的判断与病理诊断结果几乎完全相同。 /p p style=" text-align: center " img title=" 11.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/b4ebf04d-e3cf-453f-b827-4a22a027ae5a.jpg" / /p p 　　为继续验证MasSpec Pen的准确性，研究人员决定在小鼠模型上进行进一步的活体试验。在向小鼠植入乳腺癌细胞并培养后进行手术切除，再用MasSpec Pen进行取样检测，分析的结果也清晰地显示出了正常组织与癌组织的不同。 /p p 　　Livia Eberlin教授对“神笔”的临床前景抱有很高的期待。“和术后的癌症病人交谈时，很多人说的第一句话就是：‘希望医生们把肿瘤彻底切干净了’。若情况并非如此，就真的很让人伤心。我们的成果可以大幅提高外科医生手术中真正彻底切除肿瘤所有部分的概率。” /p p 　　Eberlin团队成员，毕业于北大化学与分子工程学院的论文第一作者张佳玲则说：“在设计MasSpec Pen时，我们就确定只有探测器的探头和注入的水会与组织产生接触，从而保持组织的完整性。它有很高的生物兼容性和自动化水平，我们对将它转入临床使用极其兴奋。”[7] /p p style=" text-align: center " img title=" 12.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/aac8e4b8-0659-4431-92f7-2344e1592fa8.jpg" / /p p 　　Eberlin教授希望，这一研究成果能在2018年进入临床开展初步的验证[8]。不过只研发出“神笔”，并不能解决投入临床实践面临的所有问题，首当其冲的拦路虎就是质谱分析仪的配备问题。由于价格高昂(在美国可达50万美元一台)，质谱分析仪往往多见于实验室，在手术室中相当少有。 /p p 　　对此Eberlin教授表示，她设想开发一种体积更小、仅保留MasSpec Pen配套功能，从而更加廉价的质谱分析仪，应用于手术室环境。这一想法也并非不切实际，佐治亚大学的研究人员今年就曾在《自然· 纳米技术》上发表相关的研究[9]。 /p p 　　MasSpec Pen的功能或许不仅限于判断肿瘤的切除程度。在获取更多数据建立大规模的数据库后，研究人员还希望将它与腹腔镜手术系统、机器人手术系统等微创技术和可视化技术结合，从而促进更广泛的临床应用。 /p p 　　《科学转化医学》用“笔比手术刀还神奇?”来形容此次的成果。奇点糕衷心希望，这样一种简洁、快速、准确的诊断手段能尽快进入临床，帮助外科和肿瘤医生。 /p p 　　参考资料： /p p 　　1.http://stm.sciencemag.org/content/9/406/eaan3968 /p p 　　2.Buchholz T A, Somerfield M R, Griggs J J, et al. Margins for breast-conserving surgery with whole-breast irradiation in stage I and II invasive breast cancer: American Society of Clinical Oncology endorsement of the Society of Surgical Oncology/American Society for Radiation Oncology consensus guideline[J]. Journal of clinical oncology, 2014, 32(14): 1502-1506. /p p 　　3.Stummer W, Pichlmeier U, Meinel T, et al. Fluorescence-guided surgery with 5-aminolevulinic acid for resection of malignant glioma: a randomised controlled multicentre phase III trial[J]. The lancet oncology, 2006, 7(5): 392-401. /p p 　　4.Jermyn M, Mok K, Mercier J, et al. Intraoperative brain cancer detection with Raman spectroscopy in humans[J]. Science translational medicine, 2015, 7(274): 274ra19-274ra19. /p p 　　5.Chughtai K, Heeren R M A. Mass spectrometric imaging for biomedical tissue analysis[J]. Chemical reviews, 2010, 110(5): 3237-3277. /p p 　　6.Balog J, Sasi-Szabó L, Kinross J, et al. Intraoperative tissue identification using rapid evaporative ionization mass spectrometry[J]. Science translational medicine, 2013, 5(194): 194ra93-194ra93. /p p 　　7.https://news.utexas.edu/2017/09/06/new-device-accurately-identifies-cancer-in-seconds /p p 　　8.https://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/devices/handheld-mass-spectrometry-pen-identifies-cancer-in-seconds-during-surgery /p p 　　9.Li A, Zi Y, Guo H, et al. Triboelectric nanogenerators for sensitive nano-coulomb molecular mass spectrometry[J]. Nature Nanotechnology, 2017, 12(5): 481-487. /p

滨松公司2015年推出了一款最新的微型化光谱探测器——MEMS-FPI C13272。MEMS FPI NIR Spectrum Sensor，全称“微机电加工工艺制作法布里珀罗腔型近红外光谱探测器”，简称MEMS-FPI。是一款超小型、低成本的光谱探测器产品。虽说微型光谱仪也不是一个新鲜的概念了（2013年滨松就推出了指尖大小的微信光谱仪C12666MA），但是MEMS-FPI C13272的出现，对熟悉光谱仪行业的人来说也会是一个大惊喜。原因很简单，因为这个器件彻底打破了传统意义上人们对于光谱仪的认知，不仅原理上跟传统光谱仪完全不同，还将微型化做到了新的极致。既然是“微型化”，那“身材”肯定是棒棒哒。具体有多小，见上图就好了。之所以能够做得如此之小，主要是在三个方面的功夫：1、该器件使用的分光技术不是大家所熟知的光栅，而是极为罕见的方法——法布里珀罗标准具，所以使得该光谱仪仅仅使用单点的InGaAs探测器，就能够得到光谱图。这么做的好处是可以用三个“大大”归纳：大大省了InGaAs材料，大大降了制作成本，大大减了探测器部分的体积。2、法布里珀罗标准具的制作，采用的是MEMS加工方法，从而使分光部分的体积也减小不少。3、探测器部分和分光部分被封装在了一个器件之中。综上三点，笔头大的小身板儿就诞生了。MEMS-FPI近红外光谱仪结构示意图物联网、可穿戴设备等概念当下也是如火如荼，其不可或缺的推进力，也是传感器体积和性能的不断极致。而光谱仪由于能够帮助人们识别物质，更是成为了众多厂商和消费者极为关注的一类。但苦于没有成熟的的微型光谱探测元件方案，如今市面上也鲜有一款能够帮助人们识别物质成分的民用消费级设备。而现在随着“微型化”产品的陆续出现，相信那些对于可穿戴“天马行空”的想法也能将真的够落地成真了。就这只MEMS-FPI C13272（光谱范围在1.55~1.85μ m）来说，可以实现对气体（环境测量）、食品和饮料、农产品、饲料、石油化工等产品的检测。不过，在如今的这个处处脑洞大开的世界，有点其他的一些应用前景，也是说不定的事。目前滨松拥有该产品的少量配套评估板和软件，如有意对该产品进行测试评估，敬请和滨松中国取得联系。另外，在即将在11月27日举办的BCEIA上，MEMS-FPI C13272不但会出展，其可连移动设备的DEMO机也将同台展出，现场将提供sample，欢迎前来体验。MEMS-FPI DEMO模块可连移动设备MEMS-FPI是日本滨松的产品图为其在今年9月日本JASIS展出的DEMO模块实物想象一下，今后人们通过手里的价格低廉的设备，就能知道所吃食物的物质组成，饮料里是否有不健康的东西，空气质量的好坏，衣服所含成分等等。人们也可以根据自己的身体状况，决定喝不喝桌上摆着的这一杯咖啡或者果汁，做饭的时要不要使用那么多油。到那时，健康饮食将不再只是脑中的概念，而是实实在在可以掌控的事实了。点击进入滨松MEMS-FPI C13272资料下载

近期，高性能制冷红外探测器生产厂商中科爱毕赛思（常州）光电科技有限公司（以下简称“中科爱毕赛思”）完成数亿元融资，资金将用于二期产线建设、新一代产品研发及市场拓展。本次融资由海通证券旗下海通创新资本领投，方广资本、常金控、元科投资跟投；老股东昇和资本、国海创新资本、常州高新投持续投资。锑化物II类超晶格技术自从20世纪70年代锑化物II类超晶格的理论被提出以来，基于InAs/GaSb 体系的II类超晶格材料受到了极大的关注，其基本原理是通过InAs层与GaSb层的重复交替排列形成一维周期性结构。类似于周期性排列的晶格，超晶格周期性的长短变化使超晶格表现出从半金属到窄带隙半导体的特性。InAs/GaSb超晶格的特点是InAs与GaSb之间形成II型离隙型能带结构，电子与空穴被分别限制在InAs与GaSb层中，相邻InAs层中电子波函数的交叠形成电子微带，同样地，相邻GaSb层中空穴波函数的交叠形成空穴微带。通过电子吸收光子在最高空穴微带（重空穴带）与最低电子微带（第一电子微带）之间的跃迁来实现对光信号的响应。红外探测器“一代器件，一代整机，一代装备”，红外探测器是红外产业链的核心器件。红外探测器性能高低直接决定了红外成像的质量。红外探测器在红外成像系统中的地位类似于人视觉系统中的视网膜，将从环境中检测的红外辐射的信号，转变为机器可以识别的电流或电压的信号，是探测、识别和分析目标物体红外信息的关键。据具体的需求和应用，红外探测器会有不同的分类，最为常见的是根据制冷需求，分为制冷红外探测器和非制冷红外探测器。制冷型红外探测器一般指的是利用半导体材料的光子效应制成的探测器，光电效应需要半导体冷却到较低温度才能够观测，所以红外系统需要制冷后才能使用。制冷型红外探测器具有温度灵敏度高、响应速度快、探测器距离远等优点，因此应用广泛，主要包括：（1）科学研究：在科学研究领域，制冷型长波红外探测器可用于天文学、气象学、地球物理学等学科的研究。它能够探测到来自宇宙的红外辐射，为科学家提供有关宇宙起源、星体演化等重要信息。（2）野生动物研究：中长波双色制冷红外探测器可以用于野生动物研究中，通过探测动物的红外辐射来观察和研究动物的行为和习性，对于生态保护和动物学研究具有重要意义。（3）工业应用：在工业领域，制冷型长波红外探测器可用于检测机器设备的工作状态和故障预警，例如对发动机、涡轮机等进行检测。它能够实时监测机器设备的运行状态，及时发现潜在的故障和问题，从而提高生产效率和设备使用寿命。（4）环境监测：在环境监测领域，制冷型长波红外探测器可用于检测空气污染、气体泄漏、森林火灾等环境问题。它能够快速准确地检测到环境中的异常变化，为环境保护和应急响应提供及时准确的信息支持。（5）安防应用：在安防领域，制冷型长波红外探测器可用于安全监测、防止非法入侵和犯罪活动。它能够进行24小时不间断的红外监测，对目标进行精确的探测和识别，从而有效地保障公共安全和财产安全。（6）消防救援：在火灾发生时，中长波双色制冷红外探测器可以通过探测火焰和烟雾的红外辐射来及时发现火源，从而帮助消防人员快速定位火点并进行救援。（7）特殊应用：制冷型长波红外探测器可用于侦察、目标跟踪等任务。它具有抗干扰能力强、探测距离远、探测精度高等优点。展望未来中科爱毕赛思正式成立于2020年，是一家专注于光电技术领域的高科技企业，致力于锑化物超晶格技术产业化，推动高性能半导体光电子技术产业的发展。公司已经掌握了分子束外延生长（MBE）与芯片制备的核心技术，并具备新一代高性能光电子器件从结构设计、材料外延、器件制备到组件封装的全产业链技术能力。未来，中科爱毕赛思（常州）光电科技有限公司将持续推动锑化物超晶格的发展，坚持科技创新、自立自强的理念，不断追求卓越，努力成为一流的高性能红外探测器供应商。