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用原子级薄的纳米材料增强等离子体生物传感器

时间:2021-06-18 点击次数:

以原子薄纳米材料为载体的生物传感器:

早期癌症诊断、监测治疗及检测复发、低血脂及低浓度小剂量肿瘤生物标志物的研究,在临床上应用十分广泛。本文提出了一种具有高强度的利用二维相变纳米材料制造的原子薄型生物传感器,它可以克服这个挑战。借助于这一增强的等离激元效应,实验证明10TNF-α癌标记含量为-15MH-1,它已被发现用于多种人类疾病,包括炎症和各种癌症。这一研究成果在生物医学应用和临床诊断方面具有广阔前景。


用原子级薄的纳米材料增强等离子体生物传感器(图1)

同位素感应器或表面等离子体共振(SPR)感应器是最常用的实时监测化学和生物分子相互作用的光学传感器。

对周围环境敏感的SPR可以进行实时和无标签的检测。该传感器已商品化20多年,代表了当前生物传感器无标签化的“黄金标准”。这类传感器已应用于食品质量控制,环境监测,药物筛选和早期疾病诊断等多个领域。

但是SPR的检测能力有限,这使其不适用于对小于400Dolton的小目标进行检测。尤其适用于肿瘤标志物,抗生素,甲状腺激素,多肽,类固醇,细菌等传染性疾病。

同样,SPR的检测极限也不足以在复杂的血液(例如尿液、唾液、血清)中发现低浓度。

但在极低浓度下检测特定生物标记物的能力对于多种人类疾病的早期诊断是至关重要的。

癌变因子(TNF-α)是一种在人类疾病中被广泛接受的生物学标志,包括肠病、骨病、风湿性关节炎、口腔癌、乳腺癌等。

不幸的是,血液中这种微量蛋白质循环使检测分子并精确测量其浓度成为一项技术难题。

一般而言,生物标记物的浓度水平,特别是TNF-α,在健康人群中约为20pg/mL,”利摩日大学XLIM研究所的ShushuwenZeng博士说。此外,TNF-α(17kDa)比许多普通生物标记物低一个数量级,使血液样本检测变得更复杂。

TNF-α检测方法主要有酶联免疫吸附法、免疫PCR法和荧光光谱法。但是,这些检测方法耗时较长,通常需要使用足够的转导元素(例如荧光染料或酶)来完成复杂的操作。

因此,研究者们开发出了低成本、高效率的生物标记检测技术。

最近一组研究,包括Zeng,通过添加原子上的薄型相变材料,产生了一个很大的横向位置偏移,称为S-H,NChen(GH)位移,从而显著改善了SPR生物感应平台的性能。在亚原子水平检测TNF-α肿瘤生物标记。

他们在基于2D相奇异性增强的一种生物传感器对亚-足底癌生物标,"我们用2D纳米材料Sb2Te5(GST)进行了2D生物传感器的靶向亚-足底癌生物标记检测","我们用2D纳米材料Sb2Te5(GST)进行了2D生物传感器的靶向亚-足底癌生物标记检测",Zeng解释说。

我们已经知道这种由零反射引起的相奇异性在以前的纳米级结构中很难实现。在GST-金亚结构的基础上,(a)我们发现了相位信号的高级模式,即横向偏移,比近年来报道的其他信号模式要大得多。(b)由GST-on-Au基板引起的横向大位移的说明。利用2DGST-on-Au基片和Au基片(c)横向位置偏移和(d)光学相位信号变化进行了仿真研究。

研究小组开发出了用于探测TNF-α生物标志物(与最新的纳米材料增强的用于探测TNF-α生物标志物的传感器相比,超过三个数量级)的探测极限,以及用于探测用于探测10-14-升生物素分子的探测极限(MW=244.31Da)。

赞格指出:“这种亚原子检测水平与其它SPR设计相比有了显著的提高。”他说:“我们设备中触发的最大实验水平偏移为341.90m,为历史最高值。

该小组计划进一步优化表面功能方案,以提高其设备的可靠性。另外,他们希望微流控制芯片能够集成等离子式传感器,这样就可以同时检测多种癌症生物标记。

以2D纳米材料为基础的感光元件的研究仍处于起步阶段。问题之一是GST材料的高吸能仅存在于可见光和近红外区域。更多的材料应在其他测试方法下探索。另外,还需要对采用不同二维材料的测试基底的优化问题进行研究,为提高测试性能而努力。

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