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生物感測器開啟感知新價值
市場萌芽 邁向高速成長

【作者: 丁于珊】   2013年11月18日 星期一

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在大量運動過後的肌肉酸痛是幾乎所有人都曾有過的經驗,過多的乳酸堆積而未被身體代謝掉,讓許多人在運動過後的幾天內感覺全身痠痛不已。不過,未來這樣的問題有了感測器的幫助下,也許可以不再發生。


這是一種新型的感測器,如同紋身貼紙一般,黏貼到皮膚上,能夠精準的測量出運動時,汗水中的乳酸含量,藉此提醒馬拉松選手、運動員或從事極端運動的人他們即將到達極限,這一類能夠讀取人體生理資訊的感測器被稱為生物感測器(Biosensor)。


感測器已成為目前生活中不可或缺的重要工具之一,不少資訊都有賴感測器來檢測,提供比人體五官更為精準且大量的資料量,而其應用範圍也越來越廣泛。其中,生物感測器更在這五年內展現了巨大的成長潛力。


根據Transparency Market Research研究指出,其市場成長快速,預計將從2012年99億美元的市場規模成長至2018年的189億美元。科技大廠IBM更是早已看到這樣的趨勢,在2011年所預言的未來五年五大科技內,就已將生物辨識技術列入其中。


生物感測迎向醫療新趨勢

生物感測器結合了化工、電子、光學、機電、熱敏電阻等技術,通常由兩個部分組成,其一為生物識別單元,對於目標物具有相互作用的能力,可監測特定分子變化;其二為轉換器,用來將溶液或液體等組成物轉換為可記錄的訊號,這些可記錄的訊號在經過分析之後能適用於多種應用。


儘管這一類的生物感測技術仍處於發展階段,但生物感測器的應用已越來越多元化,包括糖尿病監測、心電監護、用藥效果、農業環境監測、生物防禦等。事實上,生物感測器並不是一個新的概念,最早被開發出來的產品就是眾所皆知的血糖計,這也是目前生物感測器商用化最成功的產品。



圖一 : 透過生物感測器,醫生能夠更為了解病人身體狀況。
圖一 : 透過生物感測器,醫生能夠更為了解病人身體狀況。

近年來,隨著技術的進步,生物感測器轉變成更小、更人性化、並且可以探測多個目標。尤其,在全球醫療產業朝向個人化、小型化、微型化的趨勢發展,生物感測器或者由多個生物感測器所組成的生物晶片以微型化、精準量測的優勢,成為關鍵研發的技術之一。如果能夠更簡單、迅速、準確且低成本的診斷出病患身體狀況,將會改變醫療保健體系,並且有效控制連年不斷提高的醫療成本。


針對生物感測器的多種優勢,生物感測技術已引起許多企業的注意力,並爭相投入研發,應用於醫療產業上的產品更有許多已經進入臨床試驗,或甚至真正應用於病患醫治上,例如智慧藥丸、釋藥晶片就是目前常見的一種應用。


小藥丸發揮大效用


圖二 : 由數位健康諮詢服務公司Proteus Digital Health所開發出的智慧藥丸,當吃下去後,會產生類心電圖訊號,並透過體外的裝置來擷取信號。
圖二 : 由數位健康諮詢服務公司Proteus Digital Health所開發出的智慧藥丸,當吃下去後,會產生類心電圖訊號,並透過體外的裝置來擷取信號。

智慧藥丸中包含了一個生物感測器及病人監測器,當病人吃下藥丸後,內部的感測器不僅可在胃中接觸水分之後發出訊號,提醒醫護人員用藥情況,同時也能夠偵測病人病況變化,讓醫護人員能夠更精準掌握病患病情,調整用藥劑量。目前已有許多知名企業看重這樣的市場,紛紛進行投資、布局市場,如Oracle(甲骨文)和製藥公司Novartis及Proteus正著手開發新的智慧藥丸,希望盡一步改善患者的監測和診斷。


目前在歐美部分國家,智慧藥丸已經通過美國食品暨藥物管理局(FDA)批准,可用於病患治療,並且FDA日前也已經放寬這一類產品的法規審核標準,預計智慧藥丸在未來幾年內將會有蓬勃的發展。


在俄羅,水凝膠生物晶片更已經被實際應用於診斷分析,且行之有年。這項技術廣泛應用於各種細菌、病毒的病源體鑑定,可以診斷癌症相關及突變蛋白質所引起的腫瘤等臨床情況。而日本,DNA生物晶片也有類似的應用,顯示出生物感測器或晶片的應用已逐年擴大規模。台灣目前也已經有不少相關研究,只是礙於醫療法規,還未進入臨床試驗階段。



圖三 : 美國伊利諾大學香檳分校研究人員開發出一款透過iPhone內建相機和處理能力就可發揮效用的生物感測器。
圖三 : 美國伊利諾大學香檳分校研究人員開發出一款透過iPhone內建相機和處理能力就可發揮效用的生物感測器。

iPhone也能測病毒

此外,在行動裝置的高滲透率之下,一些人也將腦筋動到上頭,開發出結合生物感測與智慧手機的應用,在美國伊利諾大學香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的研究人員就已開發出一款透過iPhone內建相機和處理能力就可發揮效用的生物感測器。


此感測系統包括一個含有一組光學組件的iPhone底座以及一個應用程式,只要將iPhone放在底座上,並將相機對準這組光學組件,就能夠進行檢測。其應用原理是在生物感測器上塗佈了光子材料。此光子材料僅會反應單一波長的光,並讓其餘頻普通過,因此當蛋白質、細胞等物體附著在光子材料上時,波長將會由短波轉換為長波。


這款設備可應用於毒素、蛋白質、細菌、病毒等分子檢測,只需要幾分鐘的時間,就能夠檢測出結果,這將會大幅提升檢測速度,且易於攜帶的特性更增加了易用性,並且能夠即時得知資訊,包含追蹤地下水汙染、低成本的醫療診斷、食品加工過程的汙染物檢測、或者結合GPS和生物感測資訊來得知病原體傳播情況等。此外,這款200美元的光學組件,所量測出的精準度幾乎能夠媲美大型實驗室中要價5萬美元的分光光度計。


結論

然而,可惜的是,儘管全球已有許多企業投入生物感測器的相關研發,但目前最成功且廣泛應用的產品仍然只有血糖計,其他大多仍處於實驗室中的概念或展示階段。其中除了技術是一大挑戰之外,價格及安全性也是一大問題。


對於智慧藥丸、釋藥晶片這一類產品而言,屬於一次性使用的類型,然而現今這些感測器及晶片價格仍然昂貴,未能達到普遍大眾所能接受的門檻。而用於人體內的產品對於安全及量測精準度要求勢必更高,在測得訊號後的分析準確性也還必須有更多的研究及開發。


此外,使用這些技術的醫護人員也必須有足夠的知識來調整或修改感測器和晶片,另一方面,對於病患來說,"操作簡單”則是最基本的要求。要將實驗室的研究成果實際商品化,這些問題都不可忽略,目前整體的應用市場仍處於剛起步階段,若能解決以上問題,預計生物感測器將會大幅改變人們現今的生活。


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