未来黑科技通史

第10章 石墨烯生控体系统（节选） 能够检测DNA 的传感器，将让早期癌症无所遁形 现在回想一下我在前面对如何利用DNA 重组制造人工胰岛素所做的简要介绍。这个过程可不是随意而为的。美国大约有300 万人患1 型糖尿病，而在全球范围内，这个数字可能增至7 000 万人。生产足量的胰岛素来维持所有患者的生命和健康是一项重要使命，只有让胰岛素达到工业级产量才能满足这种需要。不难想象，我们可以借助莱波雷的发现，在石墨烯生产中应用胰岛素的制造方法：先利用DNA 重组技术找出制丝过程中加入石墨烯的*佳途径，再改进制造工艺， 然后将这种制造工艺转化为大规模生产。 与此前介绍的种种方法相比（如化学气相沉积法、工业强酸氧化法， 或者雇用数千人用胶带把石墨烯从铅笔芯中分离出来），现在这种方法听起来自然要简单得多。本书前面探讨过的许多应用，特别是第5 章中谈及的应用，也许有一天能够通过工业化的蜘蛛纺丝技术实现。现在让我们将注意力从蜘蛛丝转向其他纤维，也就是服装中使用的纤维。 一百年前的人们不会想到，今天的科学家们已开始与时尚行业联手合作，共同开发嵌入石墨烯强化电子产品的服装，这种服装可以根据穿着者的呼吸模式或其他生理变化产生发光反应。具体而言，这些自供电的传感器与低功率的LED 灯相连，可以依据呼吸模式的改变， 控制灯泡颜色的变化。如果你在休息，且呼吸不太深，那么灯泡可能会显示蓝色；当你步行并开始中等强度的锻炼时，灯泡可能会发出绿色的光；在你早上工作的时候，灯泡则可能会开始闪烁黄色或橙色的光；总之，灯光的颜色任你设定。如果通过低功率的蓝牙将这套设备与下一代智能手机、智能手表或其他健康监测设备相连接，你就可以获取全身生理诊断信息。 对于那些只想拥有*新健康监测设备的电子迷来说，这只不过是一件新奇有趣的事情，但对于医学界而言，能够为那些面临各种疾病风险的患者评估身体状况，则是具有重大意义的事情。具体来说，患有心脏疾病的老年患者以及可能因慢性阻塞性肺病（COPD）、肺结核或其他呼吸道疾病而危及呼吸的患者，可以通过一个实时智能连接系统与云端相连，对步速进行自我监控。当他们达到自己的体能极限时， 这个设备会发出报警提示。 更常见的场景可能是（至少对我们当中的某些人来说），我们会听到自己的个性化人工智能运动教练对我们说：“加快步伐！照你现在这速度，今天的目标就别想实现了！加油！” 不难想象，不同类型的传感器可能会嵌入到我们的衣服当中，其作用可不限于测量呼吸速率那么简单。血氧水平如何？血糖呢？有没有可能患上了某种传染病？ Siri 将来或许能够提醒我们：“你刚刚接触了病毒性脑膜炎。请立即就医寻求治疗！” 让我们从石墨烯功能服装跳转到经石墨烯赋能后的医学和人类学，并探讨其中存在的种种可能性。 当得知自己的几位祖辈都曾患有相同或相似的疾病时，你是否会担心自己的健康呢？你的家族是某种癌症的易患人群吗？你想知道自身携带的基因是否会让你和你的子女在未来面临色盲、糖尿病或自闭症的风险吗？石墨烯强化传感器也许能帮上忙。 印度和日本的科学家正致力于开发石墨烯晶体管，以检测有害基因。这种传感器可在DNA 杂交过程中发挥作用，当“探测DNA”与互补的“目标DNA”结合时，科学家便可检测出有害基因。在这种结合或杂交发生的时候，探针的电性能便会发生变化。这个过程无需石墨烯也可实现，但会需要几个中间步骤，还会用到其他材料和工艺。也就是说，整个过程十分复杂。但是应用石墨烯之后，研究人员便可跳过这些中间步骤，提高这项技术的整体效率。 但是，那些难以发现的疾病又该怎么办呢？这些疾病往往发现得太晚，来不及治疗。我们都有过朋友或家人遭受癌症折磨的经历， 如果幸运的话，肿瘤会在早期被发现，它们还没有长得过大，或发生严重扩散，患者的存活率会大大提高。不幸的是，由于癌细胞与普通细胞十分相似，我们的免疫系统无法有效对抗它们，以致通常在我们发现它们时，已为时过晚。我遇到过一个案例：一位同事的妻子*近被诊断出晚期癌症，在确诊后两周内就匆匆离世。在感觉到明显症状之前，她已患病很长时间，等发现时一切都已经太晚了。 虽然石墨烯不太可能成为治疗癌症的“灵丹妙药”，但它可能会在癌症的早期发现方面发挥巨大作用。它有可能成为医生开展癌症检测和治疗的有力工具，原因是石墨烯对电荷或物体表面出现的任何物理性接触十分敏感。回想一下，石墨烯本质上是一个原子厚的碳原子矩阵，所有碳原子都位于同一平面上。它的导电性能极佳，任何表面接触都有可能引发导电性能的轻微变化，从而帮助人们轻松检测出那些表面接触。 想象一下，薄薄的一层水流淌过光滑的平面，途中带入一小块岩石。岩石激起的湍流是显而易见的。这里的光滑平面就类似于单层石墨烯，水是电流，岩石则是与石墨烯接触的某种“另类”原子。水流或电流的变化程度，可以揭示被带入湍流的岩石的类型。当一个正常的生物细胞与通电的石墨烯传感器接触时，我们可以远程探测出水或电子在流动过程中受到的特有干扰模式。如果接触的细胞存在癌变现象，那么水流或电流受到的干扰方式或模式就会不同，我们可以通过一种名为拉曼光谱的技术对干扰方式或模式进行检测。 癌细胞似乎比正常细胞更加活跃（毕竟，癌细胞的生长不受控制——这也是癌细胞极其危险的原因），因此它们的总负电荷会更高。石墨烯传感器可以很容易地检测到这种微小的电荷差异。 这种检测方法从实验室环境普及到各地诊所还需要哪些步骤尚不清楚。为了使这种传感器真正发展成为行而有效的早期检测技术，它们还势必要从诊所进入到我们的日常生活，因为我们的目标是在癌细胞扩散至全身、达到失控状态前找到它们。利用石墨烯提升检测效果只是整个过程的**步。 石墨烯传感器还能帮助我们轻松检测到什么？让我们暂且回到糖尿病的话题上。我们要知道，1 型糖尿病患者都必须准确且定期地监测血糖水平，以了解本人所需的胰岛素注射量。如果注射量过小，患者就会一直处于血糖较高的状态，随着时间的推移，他们的循环系统将会受到严重损毁，因为血糖负担过重的血细胞会在毛细血管和动脉中肆虐。如果注射量过大，患者的血糖水平将急剧下降至低血糖水平， 导致患者失去知觉甚至死亡。由于大脑直接利用血糖来获取能量，因此它几乎可以立即察觉到低血糖带来的影响。随时拉紧保持正常血糖这根弦是1 型糖尿病患者必须时刻注意的日常事务。 要准确测量血糖水平，目前只需一滴血和快速血糖仪即可。为了获取血滴，患者通常要用一根小针刺破手指，然后才能进行检测。在理想状态下，患者每天须刺破手指至少8 ～ 10 次以检测血糖水平。而且日日如此，周周如此，月月如此，年年如此。你可以想象这将是多么令人厌烦、不便和痛苦啊。一定会有更好的办法吧？ 科学家们发现，通过分析眼泪也可以测量血糖水平。可供测量的泪液量要比血滴量少得多，幸运的是，可实现该功能的微型传感器已被成功研发出来。许多公司都在研究，如何将这种传感器植入可供糖尿病患者佩戴的隐形眼镜中，以代替不断刺破手指的血糖检测方法。问题在于，这种隐形眼镜还较为粗糙，通常要比普通的隐形眼镜更大、更重，而且容易造成眼睛干涩。然而，石墨烯在这里又有了它的用武之地。 在第6章中，我们讨论过如何利用多层堆叠的氧化石墨烯薄片作为污水净化的过滤器。只要往合理的方向多堆叠两层石墨烯，我们就可以阻止水流，让它们形成一个近乎完美的防水透气层。再加上石墨烯既轻薄又强韧，还能吸收电磁能量（指可见光或紫外线等），并将这种能量以热能的形式消散掉，因而可以说，我们已经找到了可以制作血糖检测隐形眼镜的理想备选材料。 这种设想中的石墨烯镜片不仅坚固、轻薄，能够保护眼睛免受紫外线的伤害，保持水分以缓解眼睛的干涩，还能为佩戴者提供血糖信息， 这样糖尿病患者就无需再为控制血糖而经常刺破手指了。总之，这一切听起来都像是稳操胜券的样子。接下来，我们将在眼睛的基础上， 进一步看看石墨烯在人类大脑中的应用。