超灵敏纳米机械生物传感器为新一代诊断技术打下基础
来源 : 科学之家   发布时间 : 2015-06-15 13:42   浏览 : [ ]

图片说明:上图描述了传感器的工作原理。图片来源: Dmitry Fedyanin and Yury Stebunov


Dmitry Fedyanin和YuryStebunov在莫斯科物理技术学院(Moscow Institute of Physics and Technology,MIPT) 纳米光学和等离子体激元实验室(Laboratory of Nanooptics and Plasmonics)工作,他们共同开发出了超小型高敏纳米机械传感器。该传感器能分析物质的化学成分,还能检测生物体,如病毒性疾病标志物,它在免疫系统响应无法治愈或难以治愈的疾病时出现,这样的疾病包括HIV、肝炎、疱疹和其他疾病。这个传感器能帮助医生发现肿瘤标志物,它的出现预示着癌性肿瘤的出现和生长。

这个新设备的重要特点证明了它的灵敏度。研究人员称,它能在一个悬臂梁的质量块中实时追踪到仅仅几千道尔顿的细微变化。一个道尔顿是一个质子或中子的质量,几千道尔顿则是单个蛋白质和DNA分子的质量。因此,该新设备能比其他方法更快地诊断疾病,这将为新一代的诊断技术打下基础。

本研究发表于Scientific Reports上,论文把这个设备描述成光学机械芯片。研究人员说道:“我们已经关注了多年微型和纳米机械生物传感器的开发,可以断言没有人创造过能用在实验室以外的简化可扩展平行监测技术,所以我们的目标不仅是实现高灵敏度和紧凑性,还包括与标准微电子技术的可扩展和兼容性。”

与同类设备不同,这台传感器没有复杂的连接,而且可以通过使用微电子的标准CMOS流程技术制造。传感器没有任何电路,设计也很简单。它由两部分组成:一个控制光信号的光子或等离子纳米波导,以及一个悬挂在波导上的悬臂。

悬臂或横梁是一个长而薄的微型条状物(长5微米、宽1微米、厚90纳米),紧密连接在一个芯片上。它的工作原理如下:用一只手把直尺的一端紧紧地贴在桌角,另一端悬在空中。如果用另一只手碰触悬空的一端,然后把手拿开,直尺会以某种频率开始机械振动。直尺和悬壁振动的唯一不同就是频率,材料和外形决定了材料的振动频率。直尺的振动频率是几十赫兹,悬臂则用兆赫测量,也就是说悬臂每秒振动几百万次。

振动时有两种光信号通过波导:第一种启动悬臂,第二种能读出含有移动信息的信号。控制信号光模块的不均匀电磁场向悬臂施加偶极矩,这同时影响了双极,因此悬臂开始震动。

正弦调制的控制信号使悬臂以最大20纳米的振幅振动。振动决定第二种信号的参数,它的输出功率取决于悬臂的位置。

这种纳米波导的高度局部化光学模式产生了强烈的电场强度梯度,这是导致悬臂振动的关键。因为这种系统的电磁场变化只有几十纳米,所以研究人员使用了“纳米光子学”(nanophotonics)一词。如果没有纳米波导和悬臂,芯片就无法运作。仅仅依靠自由传播的光线不能使大悬臂振动,它表面的化学变化对振动频率的影响也不显著。

悬臂振动使对芯片周围环境的化学成分的判断成为可能。这是因为机械振动的频率不仅由材料的尺寸和性质决定,还会受到振动系统质量的影响。悬臂和环境发生化学反应时会导致振动系统的质量变化。通过在悬臂上放置不同的试剂,研究人员使它与特定物质甚至生物体产生反应。如果在悬臂上放置某种病毒的抗体,它就能在已分析的环境里捕捉病毒粒子。根据病毒或悬臂上有化学反应的物质,振动的振幅会提高或降低。悬臂会分别散开通过波导的电磁波,这些电磁波会通过读出的信号强度变化体现出来。

研究人员的计算结果显示,新型传感器的灵敏度更高、制造难度更低、而且尺寸更小。这些特点让它适用于所有便携设备,例如智能手机和可穿戴电子设备。一个几毫米的芯片能装配几千个传感器,通过配置这种传感器检测不同的粒子或分子。由于设计简单,该设备的价格取决于传感器的数量,这就使其比同类产品更加实惠。(科学之家,译审:Kong)
文章来源: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-06/miop-mpd060915.php
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