據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，杜克大學(xué)（Duke University）的工程師們已經(jīng)證明，納米尺寸的銀立方體可以使依賴于熒光的診斷測試更容易被讀取，因?yàn)樗鼈儠?huì)使其亮度提高150倍以上。結(jié)合已經(jīng)被證明能夠檢測出痕量的病毒和其它生物標(biāo)志物的新興即時(shí)檢測平臺(tái)，該方法可以讓這類檢測變得更經(jīng)濟(jì)，應(yīng)用更廣泛。

該研究成果于5月6日在線發(fā)表在《納米通訊》（Nano Letters）期刊上。

表面等離激元光子學(xué)通過被稱為等離子的反饋回路將能量捕獲到銀納米立方體的表面。當(dāng)熒光分子被夾在這些納米立方體和金屬表面之間時(shí)，它們之間的電磁場相互作用使分子發(fā)出更強(qiáng)烈的光。Maiken Mikkelsen是杜克大學(xué)James N.和Elizabeth H. Barton電子和計(jì)算工程學(xué)院的副教授，近10年來，她一直在其杜克大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室研究，利用表面等離激元光子學(xué)制造新型高光譜相機(jī)和超快光信號(hào)。

同時(shí)，Ashutosh Chilkoti實(shí)驗(yàn)室的研究人員，Alan L. Kaganov生物醫(yī)學(xué)工程系的特聘教授正在致力于研究一種獨(dú)立的即時(shí)診斷測試服務(wù)，可以從血液等生物醫(yī)學(xué)液體中提取微量的特定生物標(biāo)志物。但是由于測試依靠熒光標(biāo)記物來指示生物標(biāo)志物的存在，因此想要看到弱陽性的微弱光線，需要昂貴且笨重的設(shè)備。

Mikkelsen指出，“我們的研究已經(jīng)表明，表面等離激元光子學(xué)能將熒光分子的亮度提高數(shù)萬倍。用它來增強(qiáng)受熒光限制的診斷測定顯然是一個(gè)非常令人興奮的主意。”

研究人員已經(jīng)證明，表面等離激元光子學(xué)能增強(qiáng)某些疾病檢測中用于向陽性樣品發(fā)出信號(hào)的熒光標(biāo)記。聚合物刷涂層可防止不需要的生物分子進(jìn)入，同時(shí)捕獲抗體（紅色）抓取疾病的生物標(biāo)志物（透明）。檢測抗體（藍(lán)色）鎖定到生物標(biāo)志物上，并從附著的熒光團(tuán)（球體）發(fā)出光。所有這些都夾在一層金薄膜和一個(gè)與第三種抗體（綠色）相連的銀納米立方體之間，從而為熒光團(tuán)發(fā)出更明亮的光創(chuàng)造條件。

Chilkoti實(shí)驗(yàn)室的研究生Daria Semeniak補(bǔ)充說，“將等離激元增強(qiáng)型熒光應(yīng)用于即時(shí)診斷領(lǐng)域的案例并不多，而且目前存在的幾個(gè)還沒有應(yīng)用到臨床實(shí)踐中。這項(xiàng)研究花了我們幾年的時(shí)間，但是我們認(rèn)為已經(jīng)開發(fā)出了一套行之有效的系統(tǒng)。”

在新論文中，來自Chilkoti實(shí)驗(yàn)室的研究人員將其超靈敏的診斷平臺(tái)（稱之為D4 Assay）構(gòu)建在一層金薄膜上，金薄膜層作為與銀納米立方體陽極相對(duì)應(yīng)的陰極。該平臺(tái)以一層薄薄的聚合物刷涂層作為起始層，可以滿足研究人員的要求，阻止任何東西黏附在金薄膜表面。然后，研究人員使用噴墨打印機(jī)將兩組特制的分子附著在正在嘗試檢測的生物標(biāo)志物上。其中一組被永久附著在金表面，并捕獲一部分生物標(biāo)志物。一旦測試開始，另一組就會(huì)從表面上被沖洗掉，附著在另一個(gè)生物標(biāo)志物上，并閃爍指示以表明已經(jīng)找到目標(biāo)。

讓反應(yīng)發(fā)生幾分鐘后，剩余的樣品被洗去，僅留下找到生物標(biāo)志物匹配的分子，像拴在黃金地板上的熒光信標(biāo)一樣漂浮著。

研究人員手持D4 Assay的測試版本，該版本已經(jīng)被證明能夠檢測痕量的疾病生物標(biāo)志物。

Chilkoti表示，“該試驗(yàn)的真正意義在于聚合物刷涂層。聚合物刷允許我們將所需的所有工具存儲(chǔ)在芯片上，同時(shí)保持簡單的設(shè)計(jì)。”

雖然D4 Assay非常擅長捕獲痕量的特定生物標(biāo)志物，但如果只有痕量，則熒光信標(biāo)很難被發(fā)現(xiàn)。Mikkelsen和她的同事所面臨的挑戰(zhàn)是如何將等離子體銀納米立方體置于信標(biāo)之上，以增強(qiáng)信標(biāo)的熒光。

但通常情況下，這是一件說起來容易做起來難的事情。

Mikkelsen實(shí)驗(yàn)室的研究生Daniela Cruz表示，“銀納米立方體和金薄膜之間的距離決定了熒光分子的亮度。我們的挑戰(zhàn)是使聚合物刷涂層足夠厚以捕獲生物標(biāo)志物，并且僅捕獲有意義的生物標(biāo)志物，但又足夠薄，以增強(qiáng)診斷光。”

研究人員嘗試了兩種方法來解決這個(gè)“恰到好處”（Goldilocks）的難題。他們首先添加了一個(gè)靜電層，與攜帶熒光蛋白的檢測器分子結(jié)合，創(chuàng)造出銀納米立方體可以放在上面的“第二層”。他們還嘗試對(duì)銀納米立方體進(jìn)行功能化處理，以便將其直接一對(duì)一地黏附在單個(gè)檢測器分子上。

雖然兩種方法都成功地增強(qiáng)了信標(biāo)發(fā)出的光量，但是第一種方法的改善效果最好，熒光強(qiáng)度增加了150多倍。但是，這種方法還需要額外的步驟以創(chuàng)建出一個(gè)“第二層”，這將成為該設(shè)備走出實(shí)驗(yàn)室，成為商業(yè)化即時(shí)檢測診斷設(shè)備道路上的又一個(gè)障礙。并且盡管第二種方法的熒光效果并沒有提高太多，但是測試的準(zhǔn)確性卻有所提高。

Chilkoti實(shí)驗(yàn)室的研究生Cassio Fontes表示，“通過這兩種方法構(gòu)建微流控芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)都需要時(shí)間和資源，但它們?cè)诶碚撋隙际强尚械摹＿@就是D4 Assay的前進(jìn)目標(biāo)。”

該項(xiàng)目正在推進(jìn)。今年早些時(shí)候，研究人員憑借該研究的初步成果獲得了美國國家心肺血液研究所（National Heart, Lung, and Blood Institute）的一項(xiàng)為期5年，價(jià)值340萬美元的R01研究資助。合作者將致力于優(yōu)化熒光增強(qiáng)功能，同時(shí)將微通道和其他低成本解決方案整合到單步驟診斷設(shè)備中，該設(shè)備可以自動(dòng)運(yùn)行所有步驟，并通過普通的智能手機(jī)攝像頭就能讀取結(jié)果。

Mikkelsen補(bǔ)充道，“即時(shí)診斷檢測所面臨的一大挑戰(zhàn)是讀取結(jié)果的能力，通常需要昂貴的檢測器。這是進(jìn)行一次性測試，使患者能夠在家或在資源匱乏的環(huán)境中也能監(jiān)測慢性疾病的主要障礙所在。我們認(rèn)為該技術(shù)不僅是解決瓶頸的方法，還將成為提高這些診斷設(shè)備準(zhǔn)確性和閾值的方法。”