新型光子pH传感器可追踪实验室生长的组织-帮助推进四肢和器官的生长

一个带有两根光纤的空培养皿，显示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。顶部的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。

有一天，医生希望为在战斗中失去手臂的士兵，需要新的心脏或肝脏的孩子以及许多其他有紧急需求的人种植四肢和其他身体组织。如今，医疗专业人员可以从患者那里移植细胞，将其沉积到组织支架上，然后将支架插入体内，以促进骨骼，软骨和其他专门组织的生长。但是研究人员仍在努力构建可以植入患者体内的复杂器官。

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。

NIST团队的概念验证工作今天在传感器和执行器B上发布，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（酸度的测量单位），pH是细胞生长研究的重要属性。相同的基本设计可用于测量其他质量，例如钙，细胞生长因子和某些抗体的存在。

与常规传感器不同，此测量方法可用于长期（一次连续数周）监视细胞培养中的环境，而不必定期打扰细胞以校准传感仪器。NIST的化学家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）可以极大地有益于组织工程研究，以生长牙齿，心脏组织，骨骼组织等等。

艾哈迈德说：“我们希望制造可以放在生长组织内的传感器，以为研究人员提供定量信息。”“组织实际上在生长吗？健康吗如果您长出骨头，它具有合适的机械性能还是太弱而无法支撑身体？”

这项工作在研究诸如癌症等疾病的进程中，可能还具有超越组织工程学的益处。

美国大学化学家和NIST客座研究员Matthew Hartings说：“这些传感器可以为人们提供有关组织生长和疾病进展的实时信息。”Hartings说，传统的传感器为研究人员提供了一系列快照，而没有显示它们之间的路径。但是光子传感器可以为科学家提供连续的信息，相当于疾病的GPS导航应用程序。

哈廷斯说：“我们希望为研究人员提供随着组织以健康方式生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，那么他们可以更好地预防或支持患者体内正在发生的变化”。

有待解决的问题

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，它们的环境自然会变得更加酸性。如果环境变得太酸或太碱性，细胞将死亡。科学家们测量的pH值范围从0（非常酸性）到14（非常碱性），是大多数细胞在pH值约为7的狭窄范围内的理想环境。

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计每天就会损失多达0.1个pH单位的精度。但是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。

艾哈迈德说：“ pH值增加0.1很明显。”“如果您的pH值改变1，则会杀死细胞。如果几天后我对我的pH测量结果一无所知，那么我将不再使用该测量方法。”

另一方面，如果研究人员每次必须测量细胞培养物的pH值时都会干扰正在生长的细胞，则科学家会在测量中引入另一种不确定性，因为它们正在改变细胞的环境。

艾哈迈德说，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，细胞中的细胞处于培养基中，无需一次或数周地取出或校准。

前进并越过溪流：在此版本的实验中，培养皿中装有酚红溶液，该酚红溶液会根据酸度而变色。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，根
据其颜色，液体吸收的激光与蓝色激光相比或多或少。请注意，黄色液体（左上方）中的绿光比红色液体（右上方）中的绿光更为明显。相比之下，红色液体（右下方）中的蓝光比黄色液体（左下方）中的蓝光要多得多。液体吸
收的光越多，其温度升高的幅度就越大。通过用左侧的光纤测量这些温度变化（在此图中，红色发光），研究人员可以评估液体的确切颜色，从而告诉他们其pH值。

多年以来，艾哈迈德（Ahmed）和他的团队一直在开发光子传感器，这是一种小型的轻型设备，它们使用光信号来测量一系列质量，包括温度，压力和湿度。

这些新颖的设备中的一些使用可商购的，用布拉格光栅蚀刻的柔性光纤，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光的滤光器。温度或压力的变化会改变可以通过光栅的光的波长。

为了使他们的光子设备适应pH测量，Ahmed和Hartings依靠科学中一个众所周知的概念：艾哈迈德说，当物体吸收光时，吸收的能量“必定会流到某个地方”，而且在许多情况下，能量会转化为热量。

艾哈迈德说：“对于每一个光子，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。”

为了演示，科学家使用了一种可响应pH值变化而变色的物质，这是许多人可能从生物学课上记住的一种物质：红甘蓝汁粉。卷心菜汁的颜色从深紫色到淡粉红色，具体取决于溶液的酸度。艾哈迈德（Ahmed）的光子温度传感器可以捕捉到这种颜色变化。

研究人员用白菜汁溶液填充培养皿。将一根光纤放置在培养皿上方。将其连接到激光指示器，将光照射到样品中。将第二光纤物理地嵌入到液体中。第二根光纤包含布拉格光栅，并用作温度传感器。艾哈迈德（Ahmed）的小组手动控制溶液的pH值。

为了进行测量，研究人员从上方将一种颜色的光（例如红色）照到了样品中。卷心菜汁根据其颜色不同程度地吸收红光，其颜色取决于当时溶液的pH值。光子温度计纤维吸收了果汁热量的这些细微变化。温度的变化会改变可以通过光纤布拉格光栅的光的波长。

接下来，研究人员将第二种颜色的光（例如绿色）照到液体中，然后重复该过程。

通过比较每种颜色的光产生多少热量，研究人员可以确定此时白菜汁的确切颜色，并告诉他们pH值。

艾哈迈德说：“从字面上讲，‘我们能否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很宽的范围内起作用”，从pH值4到pH值9或10。

正在进行的工作表明，光子pH测量精确到正负0.13 pH单位，并且稳定至少三周，比传统测量更长。

上面的磁盘是包含称为酚红的pH敏感染料的聚合物（一种塑料）的样本。这五种颜色分别对应五个不同的pH值。研究人员正在尝试在聚合物材料中注入酚红作为其温度感应光纤的涂层。

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（尤其是心脏和骨骼细胞的生长）提供有用的信息。

对于已经进行的下一轮实验，NIST研究人员正在使用另一种对pH敏感的染料苯酚红。另外，他们正在努力将染料包裹在纤维本身周围的塑料涂层中，从而使其不与细胞介质相互作用。在专门从事组织工程的NIST同事的帮助下，该团队还在真实的细胞培养物中对该系统进行了首次测试。

未来的计划包括测量超出pH值的量，这仅需要将酚红换成对研究人员想要测量的性质敏感的另一种染料。

NIST研究人员还将测试由于这种测量方法而引起的样品局部区域中温度的轻微临时变化（约1-2开尔文）对细胞培养的影响。艾哈迈德（Ahmed）说，到目前为止，潜在的合作者并不过度担心局部供热问题，他的团队将致力于尽可能减少温度变化。

艾哈迈德（Ahmed）希望在未来更远的将来，该测量方案能够用于监视真实人体中组织的生长。

“长期目标是能够将植入式设备放入您想要生长骨骼和肌肉的人身上，然后希望随着时间的流逝，传感器可以被设计成能溶解掉，而您甚至不必回去。并删除它们，”艾哈迈德说。“那是最终的梦想。但是婴儿要先走。”

参考：Matthew R.Hartings，Nathan J.Castro，Kathryn Gill和Zeeshan Ahmed的“基于光热光谱的光子pH传感器”，2019年9月5日，传感器和执行器B：化学.DOI：
10.1016 / j.snb.2019.127076