某些彩色玻璃窗因一種叫做等離子體的現象而賞心悅目。當光照射到金屬上時，表面上的電子會以等離子體激元的形式振蕩，等離子體激元吸收並反射特定波長的光。在彩色玻璃中，光被嵌入的金屬納米顆粒散射。科學家們現在已經為這種效果建立了一個應用程式庫。在與乳腺癌的鬥爭中，藥物赫賽汀是一個堅定的盟友，它能抑制某些類型的腫瘤，幫助人們活得更長。然而，幾乎所有的癌症最終都會產生耐藥性。
直到最近，研究人員才發現了這種抗藥性的根本原因。但是化學家王偉發明了一種技術來追蹤單個赫賽汀分子是如何附著在癌細胞上的。他發現，耐藥細胞細胞膜上的一種蛋白質正在變形赫賽汀抓住的受體分子，使藥物失去控制。
這種醫學上的見解要歸功於物理學——特別是金屬在納米尺度上引導光線的能力，這是一個被稱為等離子體學的研究領域。通過將癌細胞引入金薄片一側的赫賽汀，並觀察光線從另一側反射的變化，研究人員可以看到癌細胞和抗癌藥物這兩方是如何相互作用的，從而揭示了赫賽汀耐藥的一個關鍵機制。
幾個世紀以來，人們一直在使用金屬來操縱光的通過，儘管直到最近才將這種現象用於理解癌症等疾病。大塊閃亮的金屬——也就是所謂的「鏡子」——就像不輸入光子的符號，反射回來的光粒子基本保持不變的狀態。但微觀金屬薄片則不同：它們更像是交警，允許特定顏色的光通過，並阻擋其他顏色的光。
這種現象最古老的例子之一是公元4世紀的羅馬聖杯，被稱為利柯格斯杯。通常情況下，杯子呈綠色，不透明。但如果你從內部照亮高腳杯，玻璃就會發出半透明的紅色。這是因為懸浮在玻璃中的納米大小的金和銀粒子會反射綠光，讓紅光通過。
在製作這個杯子的過程中，羅馬工匠偶然發現了電子、金屬和光之間的協同作用，而這種協同作用在16個世紀之後才會被人們所理解：當某些金屬中的電子受到合適波長的光的刺激時，就會發生共振，從而改變了光本身的路徑。
今天，等離子體領域正在蓬勃發展。在過去20年左右的時間裡，研究人員採取了一種更為深思熟慮的方法來利用這種行為，創造出了量身定製的納米結構，可以將光壓縮並操縱成與單個分子差不多大小的體積。
加州理工學院等離子體學先驅哈利·阿特沃特說，將光聚焦在納米尺度上的能力有許多潛在的應用。這些用途有助於解決自動駕駛汽車在化學傳感、數據傳輸、癌症治療和導航方面的問題。阿特沃特說：「這就是這個領域如此令人興奮、如此引人注目的原因……它是如此跨學科。」
以納米精度操縱光和電子的能力被證明在廣泛的應用中是有用的，比如超高解析度成像、腫瘤的靶向治療、自動駕駛汽車的導航，或許還有更奇特的目標，比如讓日常物體隱形。使生物分子發光
等離子體最成功的應用之一是生物傳感，研究人員試圖檢測生物相關分子的存在(或不存在)。正常情況下，這些分子太小，用光看不見，儘管有辦法給它們貼上標籤，但這些技術往往很昂貴、笨重，或者改變分子的方式阻礙了它們的研究。等離子體通過將光限制在分子大小的體積提供了另一種選擇。瑞士洛桑聯邦理工學院的研究員Hatice Altug說，在這種情況下，「你所能實現的是光與物質的強烈互動。」這使得光對體積內單個分子的變化非常敏感。(有關等離子體如何幫助生物傳感的更全面綜述，請參閱2018年發表在《化學評論》上的這篇論文。)
中國南京大學的王教授和他的同事們想把這種力量帶到藥物開發領域。設計新藥的部分過程是了解分子如何與體內細胞相互作用，但這通常需要每次監測一個細胞的相互作用，這是非常費力的。王說，如果有一種方法可以同時看到許多藥物分子與許多細胞相互作用，那就真的可以加快速度。
追蹤這種相互作用的一種可靠的技術是電化學——通過一系列分子和細胞來產生電流。通過跟蹤電流的變化，研究人員可以測量分子附著和脫離細胞的速度。
電脈衝增加細胞膜的導電性(紅色區域)，這在屏障上創造了一個開口，允許藥物或DNA等分子的傳遞。由於一種基於等離子體的電化學成像儀可以顯示膜的打開時間，這一過程的可視化成為可能。
但是電化學不允許研究人員以任何空間精度精確定位這些相互作用。研究人員可能會測量流經某些細胞的電流，並知道它受到分子附著的阻礙，但卻不知道確切的位置。就赫賽汀耐藥性而言，這意味著要知道赫賽汀粘附細胞然後分裂的頻率發生了總體變化，但不知道變化發生在哪裡。
在光的指引下
為了獲得所需的精確度，王和他的同事們發明了一種基於等離子體的電化學成像儀。他和其他人描述在2017年度回顧分析化學，而不是一些細胞電壓和跟蹤接下來的電流如何變化分子到達和離開，他們還測量了光反射和吸收一枚晶片，看看當前的舉起，和是多少。
這和利柯格斯杯的原理是一樣的。然而，在這種情況下，光的目標是一片50納米厚的金薄片。晶圓片的一邊是一個小盒子，裡面裝滿了電解質溶液，科學家可以在裡面放置分子和細胞。一束紅光照射在晶圓的另一邊，攝像機測量紅光從晶圓上反射的程度。
研究人員在整個裝置上施加振蕩電壓，這就使得電流在溶液中流動，將電子吸進或吸出黃金。黃金中電子密度的變化會改變多少光線反射到相機上。在某些密度下，光會反射回來，而在另一些密度下，光能會觸發金色表面的電子波，這些電子波被稱為等離子體激元，掠過表面，就像池塘上流動的漣漪。隨著電壓的上升和下降，電子會快速地進出黃金，反射光脈衝的數量也會同步變化。
細胞和分子之間的相互作用是可以檢測到的，因為這些分子和細胞在盤子另一邊的液體中的行為會影響整個裝置。靠近黃金背面的電池會阻擋部分電流——在鍍金上投射一個電子「影子」，精確定位電池的位置。現在，如果一個分子附著在細胞膜上，細胞的電學性質就會發生變化，這就會使細胞的電學陰影稍微變亮或變暗。這就改變了光在那個點反射金屬的方式，相機就會記錄下這些變化。
光通常會被一層薄薄的金屬薄膜反射。但只要角度合適，光就會觸發等離子體波——金屬電子的波紋——只有很少的光被反射。準確的角度在一定程度上取決於金屬薄膜另一邊的分子。當溶液中的分子，比如抗癌藥物，附著在金屬薄膜上的其他分子上時，這種配對會改變反射光，研究人員可以通過觀察反射光來了解分子之間的相互作用。王的團隊用這種方法來研究赫賽汀對產生耐藥性的腫瘤細胞表現出的不同。他們取了耐藥和不耐藥的腫瘤細胞，把它們貼在金膜上。然後他們在電解質溶液中加入赫賽汀。正常情況下，赫賽汀會附著在細胞膜上的一種蛋白質上，從而抑制生長。這種結合改變了電子的等離子體波，從而使光反射到金屬上。
但研究人員發現，在帶有耐藥腫瘤細胞的金層上，這些反射在金層附近看起來是不同的。這些細胞中的一些蛋白質釋放赫賽汀的速度比正常情況下快幾十倍，從而改變了通過這些細胞的電流。這反過來又改變了等離子體激元是否在金中形成，並改變了光的反射模式。
為了研發藥物，王說他現在已經開始研究神經元和心臟細胞，特別是用來將鈉離子和鉀離子進出細胞的蛋白質通道。他說，這些離子通道是「細胞與其環境之間溝通的窗口」。「如果你正在研發一種新藥，你需要評估它對心臟的潛在副作用。」
王補充說，這是一項緩慢、費力的工作，但基於等離子體的電化學成像儀可以加快速度。
等離子體也被應用於其他類型的成像，提供傳統顯微鏡無法達到的解析度，並作為一個高靈敏度的生物傳感器，用於一系列的應用。研究人員希望這些桌面設備可以縮小成手持設備；Altug公司就是其中之一，它設想的未來是可攜式、低成本、易於使用的基於等離子體的藥物檢測器和其他不需要訓練有素的研究人員的生物傳感器。它們甚至可能與手機相連。
她說：「你可以用它在實地監測水、機場的安全，或者在第三世界國家等資源有限的環境中進行監測。」「我們還沒有完全做到這一點，但有一個巨大的推動力。」