杜克大学开发出银纳米立方体设计，使即时检测结果更易读取
2020-05-23 12:40:46   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，杜克大学（Duke University）的工程师们已经证明，纳米尺寸的银立方体可以使依赖于荧光的诊断测试更容易被读取，因为它们会使其亮度提高150倍以上。结合已经被证明能够检测出痕量的病毒和其它生物标志物的新兴即时检测平台，该方法可以让这类检测变得更经济，应用更广泛。

该研究成果于5月6日在线发表在《纳米通讯》（Nano Letters）期刊上。

表面等离激元光子学通过被称为等离子的反馈回路将能量捕获到银纳米立方体的表面。当荧光分子被夹在这些纳米立方体和金属表面之间时，它们之间的电磁场相互作用使分子发出更强烈的光。Maiken Mikkelsen是杜克大学James N.和Elizabeth H. Barton电子和计算工程学院的副教授，近10年来，她一直在其杜克大学的实验室研究，利用表面等离激元光子学制造新型高光谱相机和超快光信号。

同时，Ashutosh Chilkoti实验室的研究人员，Alan L. Kaganov生物医学工程系的特聘教授正在致力于研究一种独立的即时诊断测试服务，可以从血液等生物医学液体中提取微量的特定生物标志物。但是由于测试依靠荧光标记物来指示生物标志物的存在，因此想要看到弱阳性的微弱光线，需要昂贵且笨重的设备。

Mikkelsen指出，“我们的研究已经表明，表面等离激元光子学能将荧光分子的亮度提高数万倍。用它来增强受荧光限制的诊断测定显然是一个非常令人兴奋的主意。”

研究人员已经证明，表面等离激元光子学能增强某些疾病检测中用于向阳性样品发出信号的荧光标记。聚合物刷涂层可防止不需要的生物分子进入，同时捕获抗体（红色）抓取疾病的生物标志物（透明）。检测抗体（蓝色）锁定到生物标志物上，并从附着的荧光团（球体）发出光。所有这些都夹在一层金薄膜和一个与第三种抗体（绿色）相连的银纳米立方体之间，从而为荧光团发出更明亮的光创造条件。

Chilkoti实验室的研究生Daria Semeniak补充说，“将等离激元增强型荧光应用于即时诊断领域的案例并不多，而且目前存在的几个还没有应用到临床实践中。这项研究花了我们几年的时间，但是我们认为已经开发出了一套行之有效的系统。”

在新论文中，来自Chilkoti实验室的研究人员将其超灵敏的诊断平台（称之为D4 Assay）构建在一层金薄膜上，金薄膜层作为与银纳米立方体阳极相对应的阴极。该平台以一层薄薄的聚合物刷涂层作为起始层，可以满足研究人员的要求，阻止任何东西黏附在金薄膜表面。然后，研究人员使用喷墨打印机将两组特制的分子附着在正在尝试检测的生物标志物上。其中一组被永久附着在金表面，并捕获一部分生物标志物。一旦测试开始，另一组就会从表面上被冲洗掉，附着在另一个生物标志物上，并闪烁指示以表明已经找到目标。

让反应发生几分钟后，剩余的样品被洗去，仅留下找到生物标志物匹配的分子，像拴在黄金地板上的荧光信标一样漂浮着。

研究人员手持D4 Assay的测试版本，该版本已经被证明能够检测痕量的疾病生物标志物。

Chilkoti表示，“该试验的真正意义在于聚合物刷涂层。聚合物刷允许我们将所需的所有工具存储在芯片上，同时保持简单的设计。”

虽然D4 Assay非常擅长捕获痕量的特定生物标志物，但如果只有痕量，则荧光信标很难被发现。Mikkelsen和她的同事所面临的挑战是如何将等离子体银纳米立方体置于信标之上，以增强信标的荧光。

但通常情况下，这是一件说起来容易做起来难的事情。

Mikkelsen实验室的研究生Daniela Cruz表示，“银纳米立方体和金薄膜之间的距离决定了荧光分子的亮度。我们的挑战是使聚合物刷涂层足够厚以捕获生物标志物，并且仅捕获有意义的生物标志物，但又足够薄，以增强诊断光。”

研究人员尝试了两种方法来解决这个“恰到好处”（Goldilocks）的难题。他们首先添加了一个静电层，与携带荧光蛋白的检测器分子结合，创造出银纳米立方体可以放在上面的“第二层”。他们还尝试对银纳米立方体进行功能化处理，以便将其直接一对一地黏附在单个检测器分子上。

虽然两种方法都成功地增强了信标发出的光量，但是第一种方法的改善效果最好，荧光强度增加了150多倍。但是，这种方法还需要额外的步骤以创建出一个“第二层”，这将成为该设备走出实验室，成为商业化即时检测诊断设备道路上的又一个障碍。并且尽管第二种方法的荧光效果并没有提高太多，但是测试的准确性却有所提高。

Chilkoti实验室的研究生Cassio Fontes表示，“通过这两种方法构建微流控芯片实验室平台都需要时间和资源，但它们在理论上都是可行的。这就是D4 Assay的前进目标。”

该项目正在推进。今年早些时候，研究人员凭借该研究的初步成果获得了美国国家心肺血液研究所（National Heart, Lung, and Blood Institute）的一项为期5年，价值340万美元的R01研究资助。合作者将致力于优化荧光增强功能，同时将微通道和其他低成本解决方案整合到单步骤诊断设备中，该设备可以自动运行所有步骤，并通过普通的智能手机摄像头就能读取结果。

Mikkelsen补充道，“即时诊断检测所面临的一大挑战是读取结果的能力，通常需要昂贵的检测器。这是进行一次性测试，使患者能够在家或在资源匮乏的环境中也能监测慢性疾病的主要障碍所在。我们认为该技术不仅是解决瓶颈的方法，还将成为提高这些诊断设备准确性和阈值的方法。”

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01051

延伸阅读：

《生物医学领域即时诊断-2019版》