納米科學：研究人員將生物傳感器的靈敏度提高了一百萬倍！
凱斯西儲大學的物理學家和工程師開發出一種基於納米結構超材料的光學傳感器，其靈敏度比目前最好的光學傳感器高100萬倍，能夠在高度稀釋的溶液中識別單個輕質分子，他們的目標是：為腫瘤學家提供一種檢測循環癌細胞產生的單分子酶的方法。這種檢測可以讓醫生比現在更早地診斷患有某些癌症的患者，監測治療和抵抗等等，許多癌症的預後取決於診斷時癌症的階段，」Case Western Reserve物理學教授，研究負責人Giuseppe「Pino」Strangi說，非常早期，大多數循環腫瘤細胞表達分子量非常低，低於500道爾頓的蛋白質，」Strangi解釋說。「這些蛋白質通常太小，濃度太低，無法用現有的檢測方法檢測，產生假陰性結果。
「通過這個平臺，我們檢測到了244道爾頓的蛋白質，這應該讓醫生能夠更早地發現癌症 - 我們還不知道早些時候有多少，」他說。「這種生物傳感平臺可能有助於開啟下一個初期癌症檢測時代，研究人員認為，傳感技術也可用於診斷和監測其他疾病。
他們的研究成果發表在Nature Materials雜誌上。Strangi說，這是一次了不起的團隊合作。他曾與博士後研究人員Kandammathee Valiyaveedu Sreekanth和Efe Ilker，博士生Yunus Alapan和Mohamed ElKabbash，物理學助理教授Michael Hinczewski，航空航天和機械工程助理教授Umut Gurkan（合作PI）和Antonio De Luca一起工作。本研究期間Strangi實驗室的研究學者，現在是義大利卡拉布裡亞大學的物理學副教授，納米傳感器適合手掌，像生物篩一樣，從極稀溶液中分離出重量小於800千萬億納克的小蛋白質分子。
為了使設備如此敏感，Strangi的團隊面臨兩個長期存在的障礙：光波無法檢測到小於其自身物理尺寸的物體，其範圍可達半微米左右。稀溶液中的分子以布朗運動漂浮，不太可能落在傳感器表面，通過利用納米技術工具並將微流體通道與稱為超材料的工程材料相結合，科學家克服了極限，微流體通道限制分子漂浮的能力並將它們驅動到超材料表面上的傳感區域，超材料由總共16個納米結構的反射和導電金層和透明氧化鋁，電介質，每個10s原子厚度組成。被引導到並穿過層的光被集中成非常小的體積，遠小於光的波長，頂部金層穿孔，形成一個光柵，將表面照射的光線擴散成二維。
入射光的波長為幾百納米，似乎被限制併集中在幾納米的金和介電層之間的界面處。
當光照射到感應區域時，它會激發自由電子，使它們振蕩並產生高度受限的傳播表面波，稱為表面等離子體激元。該傳播表面波將依次激發在傳感平臺上傳播的體波。波的存在導致反射光譜中的深度急劇下降。
表面等離子體激元和體積等離子體激元波的組合和相互作用使傳感器如此敏感。斯特朗吉說。通過超材料的八個雙層激發這些波，它們創造了非常尖銳的共振模式，極其尖銳和敏感的共振可用於檢測較小的物體，這非常敏感，」斯特朗吉說。「當一個小分子落在表面上時，它會導致大的局部改變，導致光線移動。
取決於分子的大小，反射光移動不同的量。研究人員希望通過光照變換來學習識別特定分子，從不同癌症的生物標誌物開始，為了增加傳感器的特異性，研究小組增加了一層陷阱分子，這些分子是與它們捕獲的分子特異性結合的分子。
在測試中，研究人員使用誘捕分子捕獲兩種不同的生物分子：牛血清白蛋白，分子量為66,430道爾頓，生物素，分子量為244道爾頓。每個都產生了標誌性的光移，其他研究人員報導了使用基於等離子體的生物傳感器檢測溶液中的生物素，濃度範圍從每升100微摩爾到每升10微摩爾。該裝置的靈敏度提高了100萬倍，在每升10皮摩爾的濃度下發現並鑑定了生物素。
在克利夫蘭，Strangi和Nima Sharifi，醫學博士，案例綜合癌症中心泌尿生殖系統癌症項目的聯合負責人，已開始用與前列腺癌相關的蛋白質測試傳感器，對於某些癌症，如結腸直腸癌和胰腺癌，早期檢測至關重要，」Sharifi說，他也是克利夫蘭診所前列腺癌研究的肯德裡克家庭主席。「血液中癌症特異性蛋白質的高靈敏度檢測應能夠在腫瘤早期疾病階段檢測腫瘤。
「這種新的傳感技術不僅可以幫助我們檢測癌症，還可以幫助我們檢測癌症的哪一部分，推動其發展和擴散的因素，以及它對癌症的敏感程度，」他說。「例如，傳感器可以幫助我們確定需要治療的侵襲性前列腺癌的標誌物，或者不需要治療的惰性形式，Strangi的實驗室正在與世界各地的其他腫瘤學家合作測試該設備並開始將傳感器轉向臨床使用，我們認為這只是我們研究的開始，」他說。