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2017年4月21日,星期五
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纳米材料使生物传感器变得非常小

不是每个人都对什么东西是纳米材料一致,不同之处在于它的某些方面是非常小的纳米尺度。That doesn’t mean something must be just a millionth of a meter to make a material “nano,” but some aspect of it must be less than 100 nanometers in some dimension, according to the definition used by the U.S. National Institute of Environmental Health Sciences. Whatever the standard for a nanomaterial, it can’t be seen, not even with an ordinary lab microscope. It’s their smallness that makes nanomaterials particularly useful in building biosensors.

在康涅狄格大学(Storrs),化学和生物分子工程教授于磊使用了二氧化钛(TiO)2用纳米纤维制成生物传感器,探测有机磷农药中的神经物质,如对氧、甲基对硫磷和对硫磷。雷说,他和他的同事利用“一种由类弹性多肽类有机磷酸酯水解酶、牛血清白蛋白、二氧化钛纳米纤维和羧酸功能化的多壁碳纳米管组成的功能性纳米复合材料制作了这种生物传感器。”“TiO2纳米纤维,嫘解释道:“由于其与在有机磷的磷酸基很强的亲和力富集有机磷酸盐在纳米复合材料,而碳纳米管用于增强在安培检测电子转移以及用于水解酶的共价固定。”其结果是超高灵敏度。

所用的纳米材料取决于将要测量的内容。在佛罗里达大学(Gainesville),化学教授查尔斯·马丁(Charles Martin)在聚合物薄膜中制造了单孔生物传感器,其直径可小至2纳米。马丁说:“这种纳米级的尺寸对传感器的设计至关重要,因为在这个概念的一个体现中,我们只是在蛋白质分子通过小孔时计算它们的数量。”“这是通过让离子电流通过小孔,并测量当蛋白质通过小孔时电流的瞬态堵塞来实现的。”“要测量电流中的阻塞,孔和通过孔的物质——这个例子中的蛋白质——必须差不多大小。

为了测量小东西,像生物成分,微型传感器可以提供更大,更具体的信号,这使得纳米材料的完美平台,生物传感器。

构建活检

纳米材料真正受益的生物传感器的临床应用,如将它们应用到癌症诊断。金宝搏亚洲体育下载即使是有效的癌症治疗可以在某些时候会失败,而这往往是基因突变的结果。各种癌症依赖于突变喀斯特基因。在这些突变中的一个,氨基酸天冬氨酸取代位置12处的甘氨酸喀斯特——所谓的喀斯特G12D突变。安德鲁·柯,加州旧金山大学的医学教授,是利用技术从双孔家伙(圣克鲁斯,加利福尼亚州),看他是否能检测喀斯特G12D突变无细胞,循环肿瘤DNA(小牛胸腺DNA)。

一个简单的方法来捡起这个突变可以通过多种方式来使用。对于缓解癌症患者,这种突变可以揭示一些癌症复发的最早迹象。它也可以用来研究治疗的功效。所有这一切都可以使用体液,例如血液或尿液的液体活检最有效地完成。

从两个孔专家该技术采用30-nm厚的片的氮化硅(Si3N4)内部具有25-30纳米的孔。配售该Si3N4两腔流体之间的基质只在它们之间留下一条通道,这就是小孔。“当施加电压时,带负电荷的分子会通过小孔,对电流产生一定程度的阻碍,”Two pore Guys的首席执行官丹·海勒(Dan Heller)说。因此,单个分子也被计算在内。他补充说,“这是自1999年以来就为人所知的古老科学。”

图片 使用纳米孔径和分子方法,该设备计数特定的目标分子。(图片由两个毛孔男提供。)

两孔分子技术的新奇之处在于向特定目标(如蛋白质或DNA)添加大量分子。海勒解释说:“当这些目标通过小孔时,它们产生的测量值比其他分子都要大。”“这现在提供了一种仪器,可以输入任何类型的样品流体,这样当它们与目标特定的化学物质混合并施加电压时,所有的目标都可以被计数,而非目标——背景——被忽略。”

其结果是一个基于纳米生物传感器,其检测需要很少的制备的样品中单个特定分子。海勒补充说,这些生物传感器“可以是大量生产的规模在非常低的成本,并且可以结合到廉价的,简单的设备,任何人都可以使用。”

图片 碳纳米管(灰色网格)和各种其他形式的纳米材料可以与生物元素相互作用,如图中显示的H5N2禽流感病毒(紫色棒),这为构建生物传感器开辟了许多途径。(图片由宾夕法尼亚州立大学州立学院提供。)

跟踪技术

虽然大多数显微镜不能图像纳米材料,一些工具,例如PerkinElmer的(美国马萨诸塞州沃尔瑟姆)IVIS体内成像系统,可以。一个科学家可以标记与荧光标记纳米材料以及其中纳米材料在动物去,如小鼠或大鼠使用这个平台来研究。这可以用来“学习颗粒分布,停留时间在主机和定位效率,特定器官,”维韦克欣德帕蒂尔,高级管理人员,技术应用,在珀金埃尔默临床前成像解释。金宝搏亚洲体育下载“无创成像也允许纳米材料的毒性,并强调它们作为生物传感器来检测缺氧,炎症和病变的广泛的曲目研究。”

成像可以帮助科学家确定在一个特定的生物传感器使用的纳米材料。人们可以尝试不同的纳米材料,看看他们去和他们呆多久了。纳米材料的光学特性,甚至可能关系。“例如,研究人员,因为他们的有趣的光学性质的使用金纳米簇或纳米棒在阿尔茨海默氏病检测斑块,”帕蒂尔说。

对于一般的临床生物传感器,成像可以被用来改善基于纳米材料的设备。“在IVIS已经临床前应用于如肿瘤,炎症和神经退行性疾病领域表征纳米材料的生物传感实用,”帕蒂尔说。“例如,一个用户IVIS已经开发使用光子纳米材料生物相容性缺氧传感器”。在该申请中,氧的水平触发中的颗粒,其区分前和后的缺氧条件的荧光的波长偏移。作为帕蒂尔指出,“成像提供独特和新颖的见解纳米材料的行为和功能。”

这些基于纳米的生物传感器的例子揭示了可以使用的各种技术,从微孔到创新成像。被测元件和被测部位决定了纳米材料和传感方法的最佳组合。它的普及也将受到制造和使用生物传感器的能力的影响。有一件事是肯定的:纳米材料有助于生物传感器变得更小,真的小。

麦克·梅是一名自由撰稿人和编辑,住在佛罗里达。请联系他(电子邮件保护)

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