导读


最近,美国伊利诺伊大学香槟分校的研究人员开发出一种新型等离子激元传感器,它将成为一种早期检测多种癌症的可靠手段,还将用于其他疾病的检测。


关键字

癌症传感器等离子激元

背景


癌症,是人类健康的头号杀手。在我国,癌症已成为疾病死因之首,发病率和死亡率仍在不断攀升,对于公众健康的威胁严重。一个人一旦患上癌症,生命将面临严重威胁,且未来生活将蒙受很大痛苦,所以有些人甚至“谈癌色变”。


但是不管癌症有多可怕,我们仍需要理性对待。平时,大家应注意锻炼身体和健康饮食,养成良好生活习惯,保持积极乐观的生活态度,从而预防癌症。


医学研究表明,早期的癌症大多具有很高的治愈率。然而,癌症早期一般没有明显症状,很难被发现。很多人都是有了明显症状后,才去医院检查。然而却为时已晚,癌症已发展至中晚期,最佳治疗时间已错失。


因此,“早发现”对于癌症的治疗来说很关键。


对于癌症的早期检测,笔者曾在《以色列新科技:呼一口气,就能检验出癌症!》、《新的计算机识别手段:更有效地发现早期食道癌》、《癌症早期诊断:这款新型生物传感器速度快20倍!》、《DNA测序新开源软件:有助癌症早期发现和治疗!》、《石墨烯可以用于检测癌症:这不是捕风捉影!》几篇文章中,分别介绍过一些相关的创新技术,其中涉及了传感器、石墨烯、开源软件、计算机图像分析等多个技术领域。

创新

今天,我要继续介绍一款用于癌症早期检测的传感器,这是一款新型的等离子激元 (plasmonic)传感器。它由美国伊利诺伊大学香槟分校的研究人员开发,可以可靠地早期检测多种癌症的生物标志物。另外,这种方法还可以用于检测其他疾病。


(图片来源于:伊利诺伊大学香槟分校


该校电气和计算机工程专业的副教授 Logan LiuLynford Goddard领导了研究团队,他们的学生 Abid Ameen 和 Lisa Hackett 负责实际开展该项目。团队的研究论文作为封面文章,发表于《高级光学材料》杂志。

技术


对于癌症早期检测来说,有一种生物标志物的作用非常关键,其浓度的增高是许多癌症的早期指标,其中包括肺癌和前列腺癌。它就是:


癌胚抗原(CEA)


正常人血清中的CEA平均含量为3~5纳克每毫升,这种等离激元传感器可检测到每毫升1纳克量级的CEA。

那么,这种传感器中采用了什么技术手段?

这种新型传感器设备集成了两种感知方法。在此之前,这两种方法尚未在一起使用过。


(图片来源于:伊利诺伊大学香槟分校

  • 首先,研究人员使用了一个三维多层纳米腔体(nanocavity ),它位于纳米杯阵列中。光线可存储于腔体中,腔体外部由一层绝缘体围绕两层金属(这里用的是金)组成。

  • 其次,它使用了等离子激元传感技术,利用该设备表面的生物分子,可以检测到纳米级的光与物质之间敏感的相互作用。它能产生增强的场限域和局域场。因为等离子激元的特殊结构,当周围折射率变化时,光线输出耦合的效率会更高。


(图片来源于:伊利诺伊大学香槟分校


对此,研究人员Ameen 解释道:


“通过将离子激元特性和光学谐振腔特性结合于单个设备中,科研人员能够基于多层介质的厚度和腔体层的折射率,分别通过光线在腔体层内的限域和来自设备顶部的传输,检测到低浓度的生物标志物。”


另外,Hackett 补充道:


“这种纳米杯阵列具有非凡的光学传输能力。如果你采用一层金属膜,尝试让光线照射并通过它,几乎没有光线可以通过。然而,你采用周期性的纳米孔,或者我们的方案中所采用的纳米杯结构。那么,你看到的将会是特定波长的共振状态,通过该设备的光线会达到最大值。”

因为单个波长的共振一直在变化,另外光谱特征和参考位置相关,所以光线的激发和检测无需特殊设备就可以可靠地完成。在这个设备中,LED光源可以取代激光器,光电管或者摄像头成像可以取代高端光谱仪

Hackett 说:


“由于这种多层高性能等离子激元结构,我们能够将光线高效地散射至远场。当感知区域的折射率增加后,它会将存储的能量耦合出来。通常来说,当你具备这些屈光仪等离子激元传感器时,就可以在满足共振条件时,产生角度的偏移或者波长的改变。在我们的案例中,因为我们集成了纳米谐振腔,我们具有固定的共振波长。”


当生物分子的浓度增加时(在这个案例中是CEA),同样折射率也会增加,使得产生固定波长光线的透射强度增加,并且很容易被检测出来。


价值


对于目前最先进的癌症检测手段,这种等离子激元传感器有了一些改善,主要有以下两点:


  • 首先,目前大多数的方法只能在浓度较高时,才可以检测到CEA的存在。而该方法能将检测限值降低至少两个数量级。


  • 其次,这种检测方法需要的仪器设备会少很多,更加便宜和方便携带,甚至无需专业技术人员进行数据读取。同时,它也无需进行抽血,只要从手指取少量的血就可以完成。一些发展中国家以及贫困偏远地区的人,往往无法没有先进的医疗条件和设备,所以这种检测方法可以起到很好的作用。


未来


目前,用于癌症生物标志物检测的手段耗时长、需要专业设备、工作量巨大。而研究人员称,未来这种传感器进行优化后,可集成到LED中,制造成一种最紧凑的便携式设备,且低成本较低,可简便且及时地检测癌症。


另外,这项研究中展示的利用人体少量血清样本进行检测的方法,它还将用于其他疾病检测。

有了这种低成本、便携式的医疗检测设备,未来人们将可以更加及时、便捷地了解到自身的健康状况,更好地预防和检测癌症等疾病。

参考资料


【1】http://engineering.illinois.edu/news/article/22070

【2】Abid Ameen, Lisa P. Hackett, Sujin Seo, Faiza Khawar Dar, Manas R. Gartia, Lynford L. Goddard, Gang Logan Liu. Plasmonic Sensing of Oncoproteins without Resonance Shift Using 3D Periodic Nanocavity in Nanocup Arrays. Advanced Optical Materials, 2017; 1601051 DOI: 10.1002/adom.201601051




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新型等离子激元传感器:可早期检测癌症!
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