近日，杜克大學（Duke University）的工程師們已經(jīng)證明，納米尺寸的銀立方體可以使依賴于熒光的診斷測試更容易被讀取，因為它們會使其亮度提高150倍以上。結合已經(jīng)被證明能夠檢測出痕量的病毒和其它生物標志物的新興即時檢測平臺，該方法可以讓這類檢測變得更經(jīng)濟，應用更廣泛。

該研究成果于5月6日在線發(fā)表在《納米通訊》（Nano Letters）期刊上。

表面等離激元光子學通過被稱為等離子的反饋回路將能量捕獲到銀納米立方體的表面。當熒光分子被夾在這些納米立方體和金屬表面之間時，它們之間的電磁場相互作用使分子發(fā)出更強烈的光。Maiken Mikkelsen是杜克大學James N.和Elizabeth H. Barton電子和計算工程學院的副教授，近10年來，她一直在其杜克大學的實驗室研究，利用表面等離激元光子學制造新型高光譜相機和超快光信號。

同時，Ashutosh Chilkoti實驗室的研究人員，Alan L. Kaganov生物醫(yī)學工程系的特聘教授正在致力于研究一種獨立的即時診斷測試服務，可以從血液等生物醫(yī)學液體中提取微量的特定生物標志物。但是由于測試依靠熒光標記物來指示生物標志物的存在，因此想要看到弱陽性的微弱光線，需要昂貴且笨重的設備。

Mikkelsen指出，“我們的研究已經(jīng)表明，表面等離激元光子學能將熒光分子的亮度提高數(shù)萬倍。用它來增強受熒光限制的診斷測定顯然是一個非常令人興奮的主意。”

研究人員已經(jīng)證明，表面等離激元光子學能增強某些疾病檢測中用于向陽性樣品發(fā)出信號的熒光標記。聚合物刷涂層可防止不需要的生物分子進入，同時捕獲抗體（紅色）抓取疾病的生物標志物（透明）。檢測抗體（藍色）鎖定到生物標志物上，并從附著的熒光團（球體）發(fā)出光。所有這些都夾在一層金薄膜和一個與第三種抗體（綠色）相連的銀納米立方體之間，從而為熒光團發(fā)出更明亮的光創(chuàng)造條件。

Chilkoti實驗室的研究生Daria Semeniak補充說，“將等離激元增強型熒光應用于即時診斷領域的案例并不多，而且目前存在的幾個還沒有應用到臨床實踐中。這項研究花了我們幾年的時間，但是我們認為已經(jīng)開發(fā)出了一套行之有效的系統(tǒng)?！?/p>

在新論文中，來自Chilkoti實驗室的研究人員將其超靈敏的診斷平臺（稱之為D4 Assay）構建在一層金薄膜上，金薄膜層作為與銀納米立方體陽極相對應的陰極。該平臺以一層薄薄的聚合物刷涂層作為起始層，可以滿足研究人員的要求，阻止任何東西黏附在金薄膜表面。然后，研究人員使用噴墨打印機將兩組特制的分子附著在正在嘗試檢測的生物標志物上。其中一組被永久附著在金表面，并捕獲一部分生物標志物。一旦測試開始，另一組就會從表面上被沖洗掉，附著在另一個生物標志物上，并閃爍指示以表明已經(jīng)找到目標。

讓反應發(fā)生幾分鐘后，剩余的樣品被洗去，僅留下找到生物標志物匹配的分子，像拴在黃金地板上的熒光信標一樣漂浮著。

研究人員手持D4 Assay的測試版本，該版本已經(jīng)被證明能夠檢測痕量的疾病生物標志物。

Chilkoti表示，“該試驗的真正意義在于聚合物刷涂層。聚合物刷允許我們將所需的所有工具存儲在芯片上，同時保持簡單的設計?！?/p>

雖然D4 Assay非常擅長捕獲痕量的特定生物標志物，但如果只有痕量，則熒光信標很難被發(fā)現(xiàn)。Mikkelsen和她的同事所面臨的挑戰(zhàn)是如何將等離子體銀納米立方體置于信標之上，以增強信標的熒光。但通常情況下，這是一件說起來容易做起來難的事情。Mikkelsen實驗室的研究生Daniela Cruz表示，“銀納米立方體和金薄膜之間的距離決定了熒光分子的亮度。我們的挑戰(zhàn)是使聚合物刷涂層足夠厚以捕獲生物標志物，并且僅捕獲有意義的生物標志物，但又足夠薄，以增強診斷光。”

研究人員嘗試了兩種方法來解決這個“恰到好處”（Goldilocks）的難題。他們首先添加了一個靜電層，與攜帶熒光蛋白的檢測器分子結合，創(chuàng)造出銀納米立方體可以放在上面的“第二層”。他們還嘗試對銀納米立方體進行功能化處理，以便將其直接一對一地黏附在單個檢測器分子上。

雖然兩種方法都成功地增強了信標發(fā)出的光量，但是第一種方法的改善效果最好，熒光強度增加了150多倍。但是，這種方法還需要額外的步驟以創(chuàng)建出一個“第二層”，這將成為該設備走出實驗室，成為商業(yè)化即時檢測診斷設備道路上的又一個障礙。并且盡管第二種方法的熒光效果并沒有提高太多，但是測試的準確性卻有所提高。
Chilkoti實驗室的研究生Cassio Fontes表示，“通過這兩種方法構建微流控芯片實驗室平臺都需要時間和資源，但它們在理論上都是可行的。這就是D4 Assay的前進目標?！痹擁椖空谕七M。今年早些時候，研究人員憑借該研究的初步成果獲得了美國國家心肺血液研究所（National Heart, Lung, and Blood Institute）的一項為期5年，價值340萬美元的R01研究資助。合作者將致力于優(yōu)化熒光增強功能，同時將微通道和其他低成本解決方案整合到單步驟診斷設備中，該設備可以自動運行所有步驟，并通過普通的智能手機攝像頭就能讀取結果。
Mikkelsen補充道，“即時診斷檢測所面臨的一大挑戰(zhàn)是讀取結果的能力，通常需要昂貴的檢測器。這是進行一次性測試，使患者能夠在家或在資源匱乏的環(huán)境中也能監(jiān)測慢性疾病的主要障礙所在。我們認為該技術不僅是解決瓶頸的方法，還將成為提高這些診斷設備準確性和閾值的方法?！?/p>

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01051

來源：MEMS