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比传统技术灵敏度高100万倍的新型生物传感器

据麦姆斯咨询报道,美国克利夫兰凯斯西储大学(Case Western Reserve University)物理学家Guiseppe Strangi领导的一支研究团队,近日开发出一款比传统技术灵敏度高100万倍的新型生物传感器。


他们开发的生物传感器能够探测的物质浓度并非微米级,甚至也不是纳米级,而是飞米级(femto scale),1飞米相当于10^(-15)米,其灵敏度比最好的猎犬嗅觉还要高。Strangi称:“我们的新型生物传感器几乎能够探测单个分子。”


问题是他们如何实现的呢?


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Guiseppe Strangi教授


Strangi利用了纳米金的特异性优势。实验证明,超薄纳米金薄膜中的电子受到一束激光轰击时,会以一定频率的振动波形式运动。Strangi称这相当于是一种物理学的新分支,这一概念被称为等离子体光学(plasmonics)。


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超薄纳米金薄膜层与氧化铝层之间形成的三明治结构,获得了更高密度的等离子体场,极大地提高了传感器的灵敏度


纳米金薄膜层表面的振动电子形成的等离子体场,能够“看到”比光波长小很多的物体。Strangi开发的生物传感器由16层纳米金薄膜层组成,其厚度仅为数百个原子那么厚,在氧化铝层之间形成三明治结构,它们组成的这种结构被称为超常介质(metamaterial)。这种结构创造了密度更高的等离子体场,使得这款生物传感器获得了超高的灵敏度。


微观物理学


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灵敏度超高的新型生物传感器


博士研究生Mohamed ElKabbash展示了这款其貌不扬的芯片,该芯片尺寸为厘米级,顶部有一个微型的塑料盒。ElKabbash说:“在这块基板上方,可以看到微流体管道,这款生物传感器的本质就是在一块玻璃基板上方,覆盖了一层非常薄的薄膜。”


“玻璃上方闪耀着黄绿色光芒的物质就是神奇的超常介质。在两端有微流体管道的微型塑料盒的帮助下,这款传感器就可以工作了,”ElKabbash解释道,“微流体管道将被测物分子通过一段特殊的疏水性介质“驱赶”至传感器表面。一旦这些被测分子到达传感器表面,超常介质就会开始分析工作。”


等离子体场会“看到”被测分子,基于从传感器反射出来的光谱,就可以用相应的图谱来展示分子的尺寸和浓度。


在飞米尺度上感测癌症


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Nima Sharifi博士


美国克利夫兰医学中心的癌症研究人员Nima Sharifi博士列出了一些他感兴趣的分子,他希望利用这款超高灵敏度的生物传感器来进行分子筛选。Nima Sharifi博士说:“这款传感器或许可以用来检测蛋白质、DNA、RNA,或者也可以用来探测循环肿瘤细胞。” Sharifi正和物理学家Strangi及其团队展开合作,来进一步优化这款生物传感器,将这款生物传感器应用于癌症的治疗。


他说尽管这款生物传感器可以帮助癌症的早期检测,但是,真正需要的是希望它能够帮助监视治疗中的癌症组织的细微变化。Sharifi称Strangi开发的这款生物传感器还能够帮助他读取由癌症引起的基因突变。Sharifi说:“这类技术最大的潜在应用,是在这些特定病例中探测异常蛋白和正常蛋白的情况。”


这款新型生物传感器距离真正商业化还需要几年的持续开发,但是凯斯西储大学的物理学家Guiseppe Strangi称,他们已经将这项技术申请了专利,并且正在努力将这项技术从实验室应用到临床实践中。


Via:MEMS



标签:   传感器 微流体 芯片
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