光子生物感测器有新突破 超精确的诊断和探测器

【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】大学应用物理教授Stephen Arnold及其在纽约大学Tandon工程学院的团队发现了一种可能导致星际迷航的生物感测器装置，能够标记血液中特定病毒或抗体或蛋白质特定癌症的标记或者嗅探空气中的化学战剂，而它们仍然远低于毒性水平。这项发现是在阿诺德开展多年的开创性工作之后，他于1995年发现，光纤可以激发他称之为Whispering Gallery Mode（Whispering Gallery Mode）（Whispering Gallery Mode）（WGM）的硅微珠小于人发直径的三分之一。进一步的发现和专利使得WGM生物感测器能够通过将它们发送到航天器轨道周围的微珠来测量病毒，蛋白质和其他纳米颗粒的质量，这归功于共振光引起的光子“拖拉机波束”。

研究人员史蒂文阿诺德观察耳语廊模式生物感测器设置，包括一个微通道，其中包含一个光纤灯丝，一个硅微球，以及一个小型设备内的激光和探测器。图片版权：NYU Tandon School of Engineering

然后Arnold和合作者设计了一种方法来使这些WGM生物感测器足够敏感，甚至可以将RNA病毒MS2中最小的单个生物颗粒识别为单个分子至6个克尔克（10-21克），低于所有已知质量癌症标志物。许多公司，包括Genalyte，现在纽约大学Tandon的MicroParticle PhotoPhysics生物光子学实验室（MP3L）的Arnold和他的团队首先找到了一种方法来确定WGM微珠表面区域上的电荷密度以及纳入的纳米颗粒的电荷通过测量光线频率如何随着微小颗粒沿着球体周围的摇摆路线而波动。这一发现可以让研究人员和制造商不仅能够识别纳米颗粒，还能够操纵它们。

阿诺德还是纽约大学Othmer-Jacobs化学和生物分子工程系的成员，研究人员包括Jehovani Lopez，Eshan Treasurer，Kaitlynn Snyder和David Keng最近在Applied Physics Letters上发表了他们的发现。阿诺德为伦敦圣保罗大教堂圆顶上著名的耳语画廊命名的WGM生物感测器是一款尺寸为小型智能手机的设备，由一个可调谐激光器沿着经过特殊处理的光纤灯丝引导，并在远处装有探测器测量灯光强度和谐振的灯丝末端。在细丝旁边的一个小硅珠转移了一部分光束，它开始在珠子内部产生共鸣，这种现象被称为教堂长廊的圆顶下方。

虽然WGM生物感测器识别单个纳米粒子的能力带来了高度敏感的测量能力，但Arnold最新的发现可能使得生物感测器适合非常特定的应用，从用于检测极低浓度可疑空气传播神经因子的士兵和救援人员的可穿戴感测器到提高纳米粒子药物吸收和再分配效率的方法。Charge控制着运输与细胞和其他拥有电场的物体相互作用的粒子的能力，例如通过确定病毒的电荷，可以了解如何将其转移到细胞表面，需要了解这种机制，以便设计一个WGM微珠，该微珠在特定区域具有特定抗原其表面使得生物感测器可以吸引特定的病原体或其他生物分子。

Arnold和MP3L团队能够通过基于纳米轨道现象需要静电力和已知的光学牵引器光束力之间的接近平衡的观察实验来提取轨道纳米颗粒和玻璃珠表面之间的静电力，正如秤的平衡弹簧对身体重量的压力一样。被测力的强度差异非常小，将纳米粒子保持在轨道中的测量静电力仅为0.00000000000003（3x10 -14）磅。有了这个力，纳米粒子上的电荷和微腔电荷密度可以通过一系列实验来计算。该团队接下来计划利用这一发现开发“光子印刷技术”，能够快速创建大量特定任务的WGM生物感测器，并将特定分子连接到微珠的特定区域。

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参考：Applied Physics Letters

内容：经“博科园”判定符合今主流科学

来自：纽约大学坦登工程学院

编译：光量子

审校：博科园

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