新型等離子激元感測器：可早期檢測癌症！

導讀

最近，美國伊利諾伊大學香檳分校的研究人員開發出一種新型等離子激元感測器，它將成為一種早期檢測多種癌症的可靠手段，還將用於其他疾病的檢測。

關鍵字

癌症、感測器、等離子激元

背景

癌症，是人類健康的頭號殺手。在我國，癌症已成為疾病死因之首，發病率和死亡率仍在不斷攀升，對於公眾健康的威脅嚴重。一個人一旦患上癌症，生命將面臨嚴重威脅，且未來生活將蒙受很大痛苦，所以有些人甚至「談癌色變」。

但是不管癌症有多可怕，我們仍需要理性對待。平時，大家應注意鍛煉身體和健康飲食，養成良好生活習慣，保持積極樂觀的生活態度，從而預防癌症。

醫學研究表明，早期的癌症大多具有很高的治癒率。然而，癌症早期一般沒有明顯癥狀，很難被發現。很多人都是有了明顯癥狀後，才去醫院檢查。然而卻為時已晚，癌症已發展至中晚期，最佳治療時間已錯失。

因此，「早發現」對於癌症的治療來說很關鍵。

對於癌症的早期檢測，筆者曾在《以色列新科技：呼一口氣，就能檢驗出癌症！》、《新的計算機識別手段:更有效地發現早期食道癌》、《癌症早期診斷：這款新型生物感測器速度快20倍！》、《DNA測序新開源軟體：有助癌症早期發現和治療！》、《石墨烯可以用於檢測癌症：這不是捕風捉影！》幾篇文章中，分別介紹過一些相關的創新技術，其中涉及了感測器、石墨烯、開源軟體、計算機圖像分析等多個技術領域。

創新

今天，我要繼續介紹一款用於癌症早期檢測的感測器，這是一款新型的等離子激元 （plasmonic）感測器。它由美國伊利諾伊大學香檳分校的研究人員開發，可以可靠地早期檢測多種癌症的生物標誌物。另外，這種方法還可以用於檢測其他疾病。

（圖片來源於：伊利諾伊大學香檳分校）

該校電氣和計算機工程專業的副教授 Logan Liu 和 Lynford Goddard領導了研究團隊，他們的學生 Abid Ameen 和 Lisa Hackett 負責實際開展該項目。團隊的研究論文作為封面文章，發表於《高級光學材料》雜誌。

技術

對於癌症早期檢測來說，有一種生物標誌物的作用非常關鍵，其濃度的增高是許多癌症的早期指標，其中包括肺癌和前列腺癌。它就是：

癌胚抗原（CEA）

正常人血清中的CEA平均含量為3～5納克每毫升，這種等離激元感測器可檢測到每毫升1納克量級的CEA。

那麼，這種感測器中採用了什麼技術手段？

這種新型感測器設備集成了兩種感知方法。在此之前，這兩種方法尚未在一起使用過。

（圖片來源於：伊利諾伊大學香檳分校）

• 首先，研究人員使用了一個三維多層納米腔體（nanocavity ），它位於納米杯陣列中。光線可存儲於腔體中，腔體外部由一層絕緣體圍繞兩層金屬（這裡用的是金）組成。

• 其次，它使用了等離子激元感測技術，利用該設備表面的生物分子，可以檢測到納米級的光與物質之間敏感的相互作用。它能產生增強的場限域和局域場。因為等離子激元的特殊結構，當周圍折射率變化時，光線輸出耦合的效率會更高。

（圖片來源於：伊利諾伊大學香檳分校）

對此，研究人員Ameen 解釋道：

「通過將等離子激元特性和光學諧振腔特性結合於單個設備中，科研人員能夠基於多層介質的厚度和腔體層的折射率，分別通過光線在腔體層內的限域和來自設備頂部的傳輸，檢測到低濃度的生物標誌物。」

另外，Hackett 補充道：

「這種納米杯陣列具有非凡的光學傳輸能力。如果你採用一層金屬膜，嘗試讓光線照射並通過它，幾乎沒有光線可以通過。然而，你採用周期性的納米孔，或者我們的方案中所採用的納米杯結構。那麼，你看到的將會是特定波長的共振狀態，通過該設備的光線會達到最大值。」

因為單個波長的共振一直在變化，另外光譜特徵和參考位置相關，所以光線的激發和檢測無需特殊設備就可以可靠地完成。在這個設備中，LED光源可以取代激光器，光電管或者攝像頭成像可以取代高端光譜儀。

Hackett 說：

「由於這種多層高性能等離子激元結構，我們能夠將光線高效地散射至遠場。當感知區域的折射率增加後，它會將存儲的能量耦合出來。通常來說，當你具備這些屈光儀等離子激元感測器時，就可以在滿足共振條件時，產生角度的偏移或者波長的改變。在我們的案例中，因為我們集成了納米諧振腔，我們具有固定的共振波長。」

當生物分子的濃度增加時（在這個案例中是CEA），同樣折射率也會增加，使得產生固定波長光線的透射強度增加，並且很容易被檢測出來。

價值

相對於目前最先進的癌症檢測手段，這種等離子激元感測器有了一些改善，主要有以下兩點：

• 首先，目前大多數的方法只能在濃度較高時，才可以檢測到CEA的存在。而該方法能將檢測限值降低至少兩個數量級。

• 其次，這種檢測方法需要的儀器設備會少很多，更加便宜和方便攜帶，甚至無需專業技術人員進行數據讀取。同時，它也無需進行抽血，只要從手指取少量的血就可以完成。一些發展中國家以及貧困偏遠地區的人，往往無法沒有先進的醫療條件和設備，所以這種檢測方法可以起到很好的作用。

未來

目前，用於癌症生物標誌物檢測的手段耗時長、需要專業設備、工作量巨大。而研究人員稱，未來這種感測器進行優化後，可集成到LED中，製造成一種最緊湊的攜帶型設備，且低成本較低，可簡便且及時地檢測癌症。

另外，這項研究中展示的利用人體少量血清樣本進行檢測的方法，它還將用於其他疾病檢測。

有了這種低成本、攜帶型的醫療檢測設備，未來人們將可以更加及時、便捷地了解到自身的健康狀況，更好地預防和檢測癌症等疾病。

參考資料

【1】http://engineering.illinois.edu/news/article/22070

【2】Abid Ameen, Lisa P. Hackett, Sujin Seo, Faiza Khawar Dar, Manas R. Gartia, Lynford L. Goddard, Gang Logan Liu. Plasmonic Sensing of Oncoproteins without Resonance Shift Using 3D Periodic Nanocavity in Nanocup Arrays. Advanced Optical Materials, 2017; 1601051 DOI: 10.1002/adom.201601051

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