新型生物纳米传感器研制成功 灵敏度大幅上升
- 2016/8/15 15:09:53 12430
- 来源：:《科学美国人》中文版《环球科学》(北京)
传统的生物传感器产生的信号与靶分子的浓度成正比，靶分子浓度较低时，传感器的灵敏度降低，变得容易被其他分子干扰。
由Molly Stevens和同事们研制的这种新传感器则相反，靶分子浓度越低，产生的信号越强，从而能够可靠地检测到低浓度的靶分子，其可检出的低浓度比医院现在使用的诊断方法低好几个数量级，比目前灵敏的检测方法也至少低10倍，有利于早期诊断疾病。以癌抗原这样的生物标志物为例，早期诊断方法是否有效，关键就在于它能否可靠地辨别浓度是“零”还是“痕量”。“对许多疾病来说，用现有的技术寻找早期征象简直像大海捞针一样，”Stevens说，“而我们的新技术还真能捞到那根针。”
孵育纳米星
研究团队用直径50纳米的小金星（纳米星）制造传感器。金表面的传导电子发生相干振荡，形成等离子体；葡萄糖氧化酶（GOx）粘附到金星表面，作为生物催化剂，将溶液里的银离子还原为银原子。当GOx浓度较低时，银原子在纳米星周围沉积，为它们裹上一层银衣，导致其表面等离子体的共振频率加快（蓝移）。而当GOx浓度较高时，银的结晶率也较高，更容易在溶液里形成独立的晶核，纳米星表面等离子体的共振频移也较不明显。向纳米星上照射可见-近红外光，一部分光将被吸收，通过检测大吸收峰可测定共振频率。这样，只要测出加入GOx前后的共振频率，便可非常灵敏地测定GOx的浓度。
接下来的工作是用纳米传感器测定人们感兴趣的生物分子的浓度——在这项研究中，科学家的测定目标是前列腺癌的一种生物标志物，叫做前列腺特异性抗原（PSA）。为此，研究人员先用能从溶液中“捞”出PSA的抗体包裹纳米金星，然后加入与GOx联结在一起的另一种抗体，后者又与纳米星表面的PSA结合；GOx还原银离子，使表面等离子体共振频移，从而被检测出来。
通过这个技术，研究人员可以检测到浓度低至10^-18 g/ml的PSA，这比医院里广泛使用的酶联免疫吸附法（ELISA）所能检测到的下限低十亿倍。
“靶分子浓度越低，我们的传感器产生的信号越强，”Stevens说，“所以，即使是超低浓度的靶分子，也可以非常可靠地检测出来。”
“不错的戏法”
这个新技术给Quanterix公司的研究负责人DavidDuffy留下了很好的印象（Quanterix是美国波士顿的一家开发单分子蛋白检测技术的公司），“它就像是一个精彩的戏法，独辟蹊径，”他说，“它确实把我吸引住了。”
能以很高的灵敏度检测PSA的方法是非常重要的。在前列腺癌手术后，PSA不应再在体内出现，除非癌症扩散或受癌症影响的组织未完全切除。“
以前，人们一直无法检测出超低水平的PSA，所以现在并不靠PSA来判断手术效果。所有患者都面临相同的风险——他们并不知道手术的长期效果是否成功，”Duffy解释道，“毫无疑问，与金标准ELISA相比，这个新方法在灵敏度上向前迈了一大步。”
展望未来
英国布里斯托大学的纳米结构和电化学专家David Fermin同样对这个新成果表示了赞赏，称之为“令人瞩目的工作”。
Fermin建议，下一步研究应该着眼于检测的特异性，即当存在潜在的干扰物质时，极低浓度的生物标志物是否能被可靠地检测出来。“研究人员在论文中只是简单地提到了这个问题，但我认为它非常重要。我想，一定能找到巧妙的化学方法，让这个技术变得特异性很高，它着实令人激动，”他说。
到目前为止，研究人员只针对PSA这一种生物标志物进行了实验，但Stevens表示，“我们相信，这一方法能用于早期诊断多种疾病”。他们感兴趣的生物标志物还包括p24，一种与HIV感染有关的蛋白质，检测p24将有助于诊断尚处于萌芽阶段的HIV感染。
（原标题：纳米传感器：疾病早期诊断的新星）
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