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基于超构表面的SERS血液检测,实现心脏病发作的快速诊断
2024-10-24 17:43:30   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

研究人员开发出一种基于超构表面的SERS诊断工具,供医生和急救人员处理心脏病发作的患者。每个超构原子都由金和二氧化硅层构成。据该项目负责人称,金属和电介质界面处的等离子体耦合极大地改变了表面在拉曼光谱中放大信号的能力。

据麦姆斯咨询报道,近期,约翰斯·霍普金斯大学(Johns Hopkins University,JHU)的一个研究项目开发出一种基于表面增强拉曼光谱(SERS)的快速诊断工具,供医生和急救人员处理心脏病发作的患者。

表面增强拉曼光谱(SERS)芯片

表面增强拉曼光谱(SERS)芯片

目前,确认心脏病发作需要心电图来测量器官的电活动,这需要花费宝贵的时间;此外还需要验血来检测心脏病发作的生物标志物特征,这需要以小时为单位的实验室工作。

约翰斯·霍普金斯大学开发的血液检测可以在几分钟内做出心脏病发作的诊断,并且可以作为临床医生和居家人员的工具。

“心脏病发作需要立即进行医疗干预,以改善患者的治疗效果。”约翰斯·霍普金斯大学的 Peng Zheng说道,“但是,尽管早期诊断至关重要,但也非常具有挑战性——在临床环境之外几乎不可能。我们发明了一种新的技术,可以快速准确地确定某人是否正在心脏病发作。”

这项基于表面增强拉曼光谱的突破性成果发表在Advanced Science期刊上。表面增强拉曼光谱通过将分子附着到图案化的纳米结构表面上,放大来自样品的分子特异性但固有较弱的拉曼指纹信号。尽管,表面增强拉曼光谱已应用于许多光子学应用,包括大气监测和新冠肺炎(Covid-19)患者筛查,但据约翰斯·霍普金斯大学团队称,该技术在临床上的进展有限。

约翰斯·霍普金斯大学在其发表的论文中指出:“尽管前景广阔,但将表面增强拉曼光谱转化为临床环境中的定量分析技术受到两大挑战的阻碍。”

其中一个障碍是大多数表面增强拉曼光谱方法专注于放大电磁拉曼信号的电场分量,而不是同样有价值的磁场分量。另一个障碍是分子与基质之间相互作用的固有复杂性,导致即使在表面增强的情况下,也只有一小部分拉曼分子对检测到的信号有贡献。

约翰斯·霍普金斯大学通过设计一种新的表面增强拉曼光谱基底来解决这两个难题,该基底可在拉曼光谱过程中增强电信号和磁信号,即使在极低浓度下也能在几秒钟内发现心脏病发作的生物标志物。

该表面具有六边形周期性超构原子图案,是一种超构表面(metasurface)。每个超构原子都由金和二氧化硅层构成。据该项目负责人称,金属和电介质界面处的等离子体耦合极大地改变了表面在拉曼光谱中放大信号的能力。

“金字塔”等离子体超构表面的制造与表征

“金字塔”等离子体超构表面的制造与表征

在试验中,新型“金字塔”等离子体超构表面首先用于分别检测血清中的三种特定心脏生物标志物。然后,通过3D打印操作将功能化的超构表面集成到生物传感平台之中,以多路复用检测样品混合物中的相同三种生物标志物,可在五到七分钟内产生结果,并且比目前的方法更准确、更实惠。该项目负责人表示,同样的工具可以用于检测癌症和传染病。

“我们谈论的是速度、准确性,以及在医院外进行血液检测的能力。”约翰斯·霍普金斯大学Ishan Barman评论道,“这项检测技术具有巨大的商业潜力,未来前景非常光明!”

延伸阅读:

《光学和射频应用的超构材料-2024版》

《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》

《超构透镜(Metalens)专利态势分析-2024版》

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