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        鎖和鑰匙:癌癥研究和光電的交叉點

        發布:guangxuedaren    |    2019-08-01 10:28    閱讀:402
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        ——一種可利用納米線和太陽能電池檢測腫瘤抗原的液體生物傳感器 

        有些人認為光伏、生物傳感器、激光和半導體光電子學似乎沒有太多共同點。但是來自愛荷華大學電氣工程系的教授Fatima Toor卻并不這么認為。從她的角度來看,她在激光治療方面的工作與她在光電方面的研究有著極為密切的關系。
               Toor教授認為:“這是相當協同的,光伏是光探測器,能夠通過探測光來產生能量,而激光則是通過注入能量來發出光。當涉及到設備應用時,很多東西都是相互關聯的。”她的協同研究方法和廣泛的興趣使她能夠在探索納米光伏的應用上另辟蹊徑,她的主要應用方向是生物醫學領域。雖然Toor對生物光子學還很陌生,但她得到了愛荷華大學醫學院同事們的大力支持。“我是一名電氣工程師,所以我需要他們解釋生物學部分,”她說。“他們對我很有耐心。”
               除了探索激光治療肉瘤,她最近還設計了一種生物傳感器,可以從血液樣本中實時檢測癌癥抗原。 該傳感器基于“鎖和鑰匙”理念設計,即某個物體能夠在另一個物體的存在下觸發響應。在生物傳感器的例子中,關鍵是由特定的抗原觸發,如細菌、毒素等等,在Toor的研究中是某種癌細胞,這種鎖定是由抗體來表示的,抗體是血液中與有害抗原結合的蛋白質。 由于前列腺特異性抗原(PSA)的血液篩查已經成為一項常規檢驗,前列腺癌是一個很容易入手研究的方向。
              Toor首先利用金屬輔助化學蝕刻技術在硅片上制造出由數百萬根垂直方向的納米線組成的太陽能電池。這些納米線是PSA的固定抗體。當血液通過小于2英寸的設備時,血液樣本中的任何PSA都會與抗體包覆的納米線結合,完成電路(打開鎖)并產生電荷,從而太陽能電池成為一種傳導元件。 該裝置的研制取得了一定的成功,它能夠可靠、快速地檢測血液樣本中的PSA,而且成本低廉。
              Toor生產的化學蝕刻太陽能電池的方法不需要昂貴且高度專業化的設備來制造其他類型的硅納米線,所以這些“生物掛鎖”可以大規模生產。 “它被稱為鎖和鑰匙機制,因為它不僅是敏感的,而且是選擇性的,” Toor教授解釋說。“并不是所有的東西都能依附在那個錨上。”設備的選擇性是一個重要的功能,適合于其他應用程序。通過改變選擇性,就可以適用于新的應用程序。她的團隊下一步將研究這種傳感器能否用于檢測肺癌。
                然而,在進行進一步研究之前,Toor想要確保這個設備是否有真正的用途。對于早期癌癥它能發揮作用嗎?為了回答這個問題,Toor和她來自先進硅研究小組的合作者Marcie Black申請并接受了來自國家科學基金會的I-Corps資助,以研究納米線生物傳感器平臺的商業潛力。國家科學基金會的I-Corps提供了5萬美元的資助供研究者們進行客戶發掘,以觀察如果技術開發成功是否有人會關心它,這項資助對Toor的研究有著重要的作用。
               這項研究很有價值,因為她和Black了解到,他們最初使用生物傳感器進行早期癌癥檢測的想法并沒有引起他們采訪的醫生的興趣。雖然他們一致認為早期檢測很重要,但醫生們解釋說,生物傳感器不會取代傳統上用于診斷癌癥或開始治療的檢測手段,因為沒有人不做活檢。她了解到,醫生們真正想要的是一種居家的、可以隨時隨地進行疾病監測的工具。 現在,當一個人被診斷出患有前列腺癌并開始接受治療時,他必須定期到血液實驗室提取樣本來檢測PSA水平,然后等待幾天,甚至幾周的時間來進行檢測。醫生可能需要幾周的時間才能知道治療是否僅僅因為測試的延遲而產生積極的效果,而這種延遲是非常顯著的。她采訪的醫生希望他們的病人能夠在家監測他們的PSA水平,并立即得到結果。“所以我們把重點放在疾病監測上,”Toor表示他們目前正在逐步地進行研究和試驗,最終目標是將該設備商業化。
               如今,Toor的團隊并不滿足于將她的傳感器局限于生物醫學領域,他們正在探索如何將該設備作為環境傳感器來檢測水道中的污染物。愛荷華州在水質方面有很多問題,其中許多是工業化規模農業的副產品。例如,來自玉米和大豆田的氮和磷化肥徑流會在湖泊和海灣等平靜的水域引發藻華。用來刺激奶牛產奶的雌激素這樣的激素,進入河流和小溪,會影響野生動物的生殖發育,高水平的雌激素暴露也與女性乳腺癌和男性前列腺癌有關。 為了監控各種水污染物,愛荷華州的自然資源部門已經在整個州部署了安裝水質傳感器的項目以保護水資源,Toor認為雌激素檢測的生物傳感器可以比鎖鑰腫瘤檢測設備多一個裝置使得雌激素受體可以被固定在太陽能電池的納米線上,而不是抗體上,而且水中雌激素的存在會引發電荷,并給出一個積極的響應。 Toor準備發表一篇關于雌激素檢測設備的文章,她繼續保持著對光電、納米材料、激光和生物光子學的興趣,并向她的學生展示如何在不明顯的地方找到協同作用。她說:“在學術界,我最喜歡的部分是有這么多的知識自由。”她希望能夠通過這種協同合作構建一個更美好、更健康的世界。

        圖:硅納米線太陽能電池與抗psa化學固定在表面

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