用原子級(jí)薄的納米材料增強(qiáng)等離子體生物傳感器

以原子薄納米材料為載體的生物傳感器：

早期癌癥診斷、監(jiān)測(cè)治療及檢測(cè)復(fù)發(fā)、低血脂及低濃度小劑量腫瘤生物標(biāo)志物的研究，在臨床上應(yīng)用十分廣泛。本文提出了一種具有高強(qiáng)度的利用二維相變納米材料制造的原子薄型生物傳感器，它可以克服這個(gè)挑戰(zhàn)。借助于這一增強(qiáng)的等離激元效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)證明10TNF-α癌標(biāo)記含量為-15MH-1，它已被發(fā)現(xiàn)用于多種人類疾病，包括炎癥和各種癌癥。這一研究成果在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和臨床診斷方面具有廣闊前景。

同位素感應(yīng)器或表面等離子體共振(SPR)感應(yīng)器是最常用的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)化學(xué)和生物分子相互作用的光學(xué)傳感器。

對(duì)周圍環(huán)境敏感的SPR可以進(jìn)行實(shí)時(shí)和無(wú)標(biāo)簽的檢測(cè)。該傳感器已商品化20多年，代表了當(dāng)前生物傳感器無(wú)標(biāo)簽化的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”。這類傳感器已應(yīng)用于食品質(zhì)量控制，環(huán)境監(jiān)測(cè)，藥物篩選和早期疾病診斷等多個(gè)領(lǐng)域。

但是SPR的檢測(cè)能力有限，這使其不適用于對(duì)小于400Dolton的小目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。尤其適用于腫瘤標(biāo)志物，抗生素，甲狀腺激素，多肽，類固醇，細(xì)菌等傳染性疾病。

同樣，SPR的檢測(cè)極限也不足以在復(fù)雜的血液(例如尿液、唾液、血清)中發(fā)現(xiàn)低濃度。

但在極低濃度下檢測(cè)特定生物標(biāo)記物的能力對(duì)于多種人類疾病的早期診斷是至關(guān)重要的。

癌變因子(TNF-α)是一種在人類疾病中被廣泛接受的生物學(xué)標(biāo)志，包括腸病、骨病、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、口腔癌、乳腺癌等。

不幸的是，血液中這種微量蛋白質(zhì)循環(huán)使檢測(cè)分子并精確測(cè)量其濃度成為一項(xiàng)技術(shù)難題。

一般而言，生物標(biāo)記物的濃度水平，特別是TNF-α，在健康人群中約為20pg/mL，”利摩日大學(xué)XLIM研究所的ShushuwenZeng博士說(shuō)。此外，TNF-α(17kDa)比許多普通生物標(biāo)記物低一個(gè)數(shù)量級(jí)，使血液樣本檢測(cè)變得更復(fù)雜。

TNF-α檢測(cè)方法主要有酶聯(lián)免疫吸附法、免疫PCR法和熒光光譜法。但是，這些檢測(cè)方法耗時(shí)較長(zhǎng)，通常需要使用足夠的轉(zhuǎn)導(dǎo)元素(例如熒光染料或酶)來(lái)完成復(fù)雜的操作。

因此，研究者們開(kāi)發(fā)出了低成本、高效率的生物標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)。

最近一組研究，包括Zeng，通過(guò)添加原子上的薄型相變材料，產(chǎn)生了一個(gè)很大的橫向位置偏移，稱為S-H,NChen(GH)位移，從而顯著改善了SPR生物感應(yīng)平臺(tái)的性能。在亞原子水平檢測(cè)TNF-α腫瘤生物標(biāo)記。

他們?cè)诨?D相奇異性增強(qiáng)的一種生物傳感器對(duì)亞-足底癌生物標(biāo)，"我們用2D納米材料Sb2Te5(GST)進(jìn)行了2D生物傳感器的靶向亞-足底癌生物標(biāo)記檢測(cè)","我們用2D納米材料Sb2Te5(GST)進(jìn)行了2D生物傳感器的靶向亞-足底癌生物標(biāo)記檢測(cè)",Zeng解釋說(shuō)。

我們已經(jīng)知道這種由零反射引起的相奇異性在以前的納米級(jí)結(jié)構(gòu)中很難實(shí)現(xiàn)。在GST-金亞結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，(a)我們發(fā)現(xiàn)了相位信號(hào)的高級(jí)模式，即橫向偏移，比近年來(lái)報(bào)道的其他信號(hào)模式要大得多。(b)由GST-on-Au基板引起的橫向大位移的說(shuō)明。利用2DGST-on-Au基片和Au基片(c)橫向位置偏移和(d)光學(xué)相位信號(hào)變化進(jìn)行了仿真研究。

研究小組開(kāi)發(fā)出了用于探測(cè)TNF-α生物標(biāo)志物(與最新的納米材料增強(qiáng)的用于探測(cè)TNF-α生物標(biāo)志物的傳感器相比，超過(guò)三個(gè)數(shù)量級(jí))的探測(cè)極限，以及用于探測(cè)用于探測(cè)10-14-升生物素分子的探測(cè)極限(MW=244.31Da)。

贊格指出：“這種亞原子檢測(cè)水平與其它SPR設(shè)計(jì)相比有了顯著的提高。”他說(shuō)：“我們?cè)O(shè)備中觸發(fā)的最大實(shí)驗(yàn)水平偏移為341.90m，為歷史最高值。

該小組計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化表面功能方案，以提高其設(shè)備的可靠性。另外，他們希望微流控制芯片能夠集成等離子式傳感器，這樣就可以同時(shí)檢測(cè)多種癌癥生物標(biāo)記。

以2D納米材料為基礎(chǔ)的感光元件的研究仍處于起步階段。問(wèn)題之一是GST材料的高吸能僅存在于可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域。更多的材料應(yīng)在其他測(cè)試方法下探索。另外，還需要對(duì)采用不同二維材料的測(cè)試基底的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行研究，為提高測(cè)試性能而努力。

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