光子生物感測器有新突破！超精確的診斷和探測器

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】大學應用物理教授Stephen Arnold及其在紐約大學Tandon工程學院的團隊發現了一種可能導致星際迷航的生物感測器裝置，能夠標記血液中特定病毒或抗體或蛋白質特定癌症的標記或者嗅探空氣中的化學戰劑，而它們仍然遠低於毒性水平。這項發現是在阿諾德開展多年的開創性工作之後，他於1995年發現，光纖可以激發他稱之為Whispering Gallery Mode（Whispering Gallery Mode）（Whispering Gallery Mode）（WGM）的硅微珠小於人發直徑的三分之一。進一步的發現和專利使得WGM生物感測器能夠通過將它們發送到航天器軌道周圍的微珠來測量病毒，蛋白質和其他納米顆粒的質量，這歸功於共振光引起的光子「拖拉機波束」。

研究人員史蒂文阿諾德觀察耳語廊模式生物感測器設置，包括一個微通道，其中包含一個光纖燈絲，一個硅微球，以及一個小型設備內的激光和探測器。圖片版權：NYU Tandon School of Engineering

然後Arnold和合作者設計了一種方法來使這些WGM生物感測器足夠敏感，甚至可以將RNA病毒MS2中最小的單個生物顆粒識別為單個分子至6個克爾克（10-21克），低於所有已知質量癌症標誌物。許多公司，包括Genalyte，現在紐約大學Tandon的MicroParticle PhotoPhysics生物光子學實驗室（MP3L）的Arnold和他的團隊首先找到了一種方法來確定WGM微珠表面區域上的電荷密度以及納入的納米顆粒的電荷通過測量光線頻率如何隨著微小顆粒沿著球體周圍的搖擺路線而波動。這一發現可以讓研究人員和製造商不僅能夠識別納米顆粒，還能夠操縱它們。

阿諾德還是紐約大學Othmer-Jacobs化學和生物分子工程系的成員，研究人員包括Jehovani Lopez，Eshan Treasurer，Kaitlynn Snyder和David Keng最近在Applied Physics Letters上發表了他們的發現。阿諾德為倫敦聖保羅大教堂圓頂上著名的耳語畫廊命名的WGM生物感測器是一款尺寸為小型智能手機的設備，由一個可調諧激光器沿著經過特殊處理的光纖燈絲引導，並在遠處裝有探測器測量燈光強度和諧振的燈絲末端。在細絲旁邊的一個小硅珠轉移了一部分光束，它開始在珠子內部產生共鳴，這種現象被稱為教堂長廊的圓頂下方。

雖然WGM生物感測器識別單個納米粒子的能力帶來了高度敏感的測量能力，但Arnold最新的發現可能使得生物感測器適合非常特定的應用，從用於檢測極低濃度可疑空氣傳播神經因子的士兵和救援人員的可穿戴感測器到提高納米粒子藥物吸收和再分配效率的方法。Charge控制著運輸與細胞和其他擁有電場的物體相互作用的粒子的能力，例如通過確定病毒的電荷，可以了解如何將其轉移到細胞表面，需要了解這種機制，以便設計一個WGM微珠，該微珠在特定區域具有特定抗原其表面使得生物感測器可以吸引特定的病原體或其他生物分子。

Arnold和MP3L團隊能夠通過基於納米軌道現象需要靜電力和已知的光學牽引器光束力之間的接近平衡的觀察實驗來提取軌道納米顆粒和玻璃珠表面之間的靜電力，正如秤的平衡彈簧對身體重量的壓力一樣。被測力的強度差異非常小，將納米粒子保持在軌道中的測量靜電力僅為0.00000000000003（3x10 -14）磅。有了這個力，納米粒子上的電荷和微腔電荷密度可以通過一系列實驗來計算。該團隊接下來計劃利用這一發現開發「光子印刷技術」，能夠快速創建大量特定任務的WGM生物感測器，並將特定分子連接到微珠的特定區域。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Applied Physics Letters

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：紐約大學坦登工程學院

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！