银纳米立方体使即时诊断更易于阅读

杜克大学的工程师表明，纳米尺寸的银立方体可以使依赖荧光的诊断测试更容易阅读，因为它们的亮度提高了 150 倍以上。结合已经显示出能够检测微量病毒和其他生物标志物的新兴即时诊断平台，该方法可以使此类测试变得更便宜和更广泛。

结果于 5 月 6 日在线发表在Nano Letters 杂志上。

等离子体学是一个科学领域，它将能量捕获在称为等离子激元的反馈回路中到银纳米立方体的表面。当荧光分子夹在这些纳米立方体之一和金属表面之间时，它们的电磁场之间的相互作用会导致分子更强烈地发光。Maiken Mikkelsen 是杜克大学电气与计算机工程系的 James N. 和 Elizabeth H. Barton 副教授，近十年来，她一直在与杜克大学的实验室合作，使用等离子体激元创建新型高光谱相机和超快光学信号。

与此同时，Alan L. Kaganov 生物医学工程特聘教授 Ashutosh Chilkoti 实验室的研究人员一直在研究一种独立的即时诊断测试，可以从中挑选出痕量的特定生物标志物。生物医学液体，如血液。但是由于测试依赖荧光标记来指示生物标记的存在，因此看到勉强呈阳性的测试的微弱光线需要昂贵且笨重的设备。

“我们的研究已经表明，等离子体可以将荧光分子的亮度提高数万倍，”米克尔森说。“使用它来增强受荧光限制的诊断分析显然是一个非常令人兴奋的想法。”

Chilkoti 实验室的研究生 Daria Semeniak 补充说：“人们使用等离子增强荧光进行即时诊断的例子并不多，而现有的少数例子尚未应用于临床实践。” “我们花了几年时间，但我们认为我们已经开发出一个可以工作的系统。”

在这篇新论文中，奇尔科蒂实验室的研究人员在金薄膜上构建了他们称为 D4 分析的超灵敏诊断平台，金薄膜是等离子体银纳米立方体阳的首选阴。该平台从一层薄薄的聚合物刷涂层开始，它可以阻止任何研究人员不想粘在金表面上的东西粘在那里。然后，研究人员使用喷墨打印机将两组分子附着在测试试图检测的生物标志物上。一组永久地附着在金表面上并捕获生物标志物的一部分。另一个在测试开始后从表面上洗掉，将自身附着在另一块生物标志物上，并闪烁表示它找到了目标。

在反应发生几分钟后，其余的样本被冲走，只留下那些设法找到其生物标志物匹配的分子，就像系在金色地板上的荧光信标一样漂浮。

“该测定的真正意义在于聚合物刷涂层，”奇尔科蒂说。“聚合物刷使我们能够在保持简单设计的同时将我们需要的所有工具存储在芯片上。”

虽然 D4 检测非常擅长捕捉微量的特定生物标志物，但如果只有微量，则可能很难看到荧光信标。Mikkelsen 和她的同事们面临的挑战是将他们的等离子体银纳米立方体放置在信标上方，从而使信标的荧光增压。

但通常情况下，这说起来容易做起来难。

“银纳米立方体和金膜之间的距离决定了荧光分子变得更亮的程度，”在 Mikkelsen 实验室工作的研究生 Daniela Cruz 说。“我们的挑战是使聚合物刷涂层足够厚以捕获生物标志物 - 并且只捕获感兴趣的生物标志物 - 但足够薄以仍然增强诊断灯。”

研究人员尝试了两种方法来解决这个金发姑娘之谜。他们首先添加了一个静电层，该层与携带荧光蛋白的检测器分子结合，创造了一种“第二层”，银纳米立方体可以放在上面。他们还尝试对银纳米立方体进行功能化，以便它们可以一对一地直接粘附到各个检测器分子上。

虽然这两种方法都成功地增加了来自信标的光量，但前者表现出最好的改进，将其荧光增加了 150 倍以上。然而，这种方法还需要一个额外的步骤来创建“第二层”，这为设计一种使这项工作在商业即时诊断上而不是仅在实验室中工作的方法增加了另一个障碍。虽然在第二种方法中荧光没有提高那么多，但测试的准确性却提高了。

Chilkoti 实验室的研究生 Cassio Fontes 说：“通过任一方法构建微流控芯片实验室设备都需要时间和资源，但它们在理论上都是可行的。” “这就是 D4 检测的方向。”

并且该项目正在向前推进。今年早些时候，研究人员利用这项研究的初步结果获得了国家心肺血液研究所为期五年、价值 340 万美元的 R01 研究奖。合作者将努力优化这些荧光增强，同时将孔、微流体通道和其他低成本解决方案集成到一个单步诊断设备中，该设备可以自动完成所有这些步骤，并由普通智能手机摄像头读取成本设备。

“即时检验的一大挑战是读取结果的能力，这通常需要非常昂贵的检测器，”Mikkelsen 说。“这是进行一次性测试以允许患者在家中或在资源匮乏的环境中监测慢性病的主要障碍。我们认为这项技术不仅是解决瓶颈的一种方式，也是一种增强这些诊断设备的准确性和阈值。”

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