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锁和钥匙:癌症研究和光电的交叉点

发布:guangxuedaren    |    2019-08-01 10:28    阅读:539
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——一种可利用纳米线和太阳能电池检测肿瘤抗原的液体生物传感器 

有些人认为光伏、生物传感器、激光和半导体光电子学似乎没有太多共同点。但是来自爱荷华大学电气工程系的教授Fatima Toor却并不这么认为。从她的角度来看,她在激光治疗方面的工作与她在光电方面的研究有着极为密切的关系。
       Toor教授认为:“这是相当协同的,光伏是光探测器,能够通过探测光来产生能量,而激光则是通过注入能量来发出光。当涉及到设备应用时,很多东西都是相互关联的。”她的协同研究方法和广泛的兴趣使她能够在探索纳米光伏的应用上另辟蹊径,她的主要应用方向是生物医学领域。虽然Toor对生物光子学还很陌生,但她得到了爱荷华大学医学院同事们的大力支持。“我是一名电气工程师,所以我需要他们解释生物学部分,”她说。“他们对我很有耐心。”
       除了探索激光治疗肉瘤,她最近还设计了一种生物传感器,可以从血液样本中实时检测癌症抗原。 该传感器基于“锁和钥匙”理念设计,即某个物体能够在另一个物体的存在下触发响应。在生物传感器的例子中,关键是由特定的抗原触发,如细菌、毒素等等,在Toor的研究中是某种癌细胞,这种锁定是由抗体来表示的,抗体是血液中与有害抗原结合的蛋白质。 由于前列腺特异性抗原(PSA)的血液筛查已经成为一项常规检验,前列腺癌是一个很容易入手研究的方向。
      Toor首先利用金属辅助化学蚀刻技术在硅片上制造出由数百万根垂直方向的纳米线组成的太阳能电池。这些纳米线是PSA的固定抗体。当血液通过小于2英寸的设备时,血液样本中的任何PSA都会与抗体包覆的纳米线结合,完成电路(打开锁)并产生电荷,从而太阳能电池成为一种传导元件。 该装置的研制取得了一定的成功,它能够可靠、快速地检测血液样本中的PSA,而且成本低廉。
      Toor生产的化学蚀刻太阳能电池的方法不需要昂贵且高度专业化的设备来制造其他类型的硅纳米线,所以这些“生物挂锁”可以大规模生产。 “它被称为锁和钥匙机制,因为它不仅是敏感的,而且是选择性的,” Toor教授解释说。“并不是所有的东西都能依附在那个锚上。”设备的选择性是一个重要的功能,适合于其他应用程序。通过改变选择性,就可以适用于新的应用程序。她的团队下一步将研究这种传感器能否用于检测肺癌。
        然而,在进行进一步研究之前,Toor想要确保这个设备是否有真正的用途。对于早期癌症它能发挥作用吗?为了回答这个问题,Toor和她来自先进硅研究小组的合作者Marcie Black申请并接受了来自国家科学基金会的I-Corps资助,以研究纳米线生物传感器平台的商业潜力。国家科学基金会的I-Corps提供了5万美元的资助供研究者们进行客户发掘,以观察如果技术开发成功是否有人会关心它,这项资助对Toor的研究有着重要的作用。
       这项研究很有价值,因为她和Black了解到,他们最初使用生物传感器进行早期癌症检测的想法并没有引起他们采访的医生的兴趣。虽然他们一致认为早期检测很重要,但医生们解释说,生物传感器不会取代传统上用于诊断癌症或开始治疗的检测手段,因为没有人不做活检。她了解到,医生们真正想要的是一种居家的、可以随时随地进行疾病监测的工具。 现在,当一个人被诊断出患有前列腺癌并开始接受治疗时,他必须定期到血液实验室提取样本来检测PSA水平,然后等待几天,甚至几周的时间来进行检测。医生可能需要几周的时间才能知道治疗是否仅仅因为测试的延迟而产生积极的效果,而这种延迟是非常显著的。她采访的医生希望他们的病人能够在家监测他们的PSA水平,并立即得到结果。“所以我们把重点放在疾病监测上,”Toor表示他们目前正在逐步地进行研究和试验,最终目标是将该设备商业化。
       如今,Toor的团队并不满足于将她的传感器局限于生物医学领域,他们正在探索如何将该设备作为环境传感器来检测水道中的污染物。爱荷华州在水质方面有很多问题,其中许多是工业化规模农业的副产品。例如,来自玉米和大豆田的氮和磷化肥径流会在湖泊和海湾等平静的水域引发藻华。用来刺激奶牛产奶的雌激素这样的激素,进入河流和小溪,会影响野生动物的生殖发育,高水平的雌激素暴露也与女性乳腺癌和男性前列腺癌有关。 为了监控各种水污染物,爱荷华州的自然资源部门已经在整个州部署了安装水质传感器的项目以保护水资源,Toor认为雌激素检测的生物传感器可以比锁钥肿瘤检测设备多一个装置使得雌激素受体可以被固定在太阳能电池的纳米线上,而不是抗体上,而且水中雌激素的存在会引发电荷,并给出一个积极的响应。 Toor准备发表一篇关于雌激素检测设备的文章,她继续保持着对光电、纳米材料、激光和生物光子学的兴趣,并向她的学生展示如何在不明显的地方找到协同作用。她说:“在学术界,我最喜欢的部分是有这么多的知识自由。”她希望能够通过这种协同合作构建一个更美好、更健康的世界。

图:硅纳米线太阳能电池与抗psa化学固定在表面

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