一種簡單易行的探測DNA分子以及癌癥和其他如阿爾茨海默氏癥標(biāo)記蛋白的方法很快將要問世—這要?dú)w功于日本橫濱國立大學(xué)（Yokohama National University）研究組的工作。據(jù)研究組發(fā)表在美國物理聯(lián)合會出版的《應(yīng)用物理快報》上的文章所述，他們制造了一種基于光子晶體納米器的生物感應(yīng)器，可以根據(jù)激光波長的移動來探測生物分子的吸收特性。
科學(xué)家研究出簡單、低成本儀器，通過獲知表面電荷密度或者溶液PH值的變化即可探測出DNA以及其他生物分子
科學(xué)家研究出簡單、低成本儀器，通過獲知表面電荷密度或者溶液PH值的變化即可探測出DNA以及其他生物分子
另一個重要的發(fā)現(xiàn)是，這種基于納米激光器的生物感應(yīng)器可通過激光輻射強(qiáng)度探測表面電荷的情況，這一點(diǎn)也可被用來探測生物分子的吸收特性。使用激光強(qiáng)度來探測生物分子過程更為簡單，因此比常規(guī)用于感應(yīng)器的熒光標(biāo)記或熒光光譜成本低。
在課題組開始研究該生物感應(yīng)器時，他們所關(guān)注的重點(diǎn)不在于激光輻射強(qiáng)度，因為輻射強(qiáng)度對于激光器的質(zhì)量非常敏感，并且它并不能有效地感應(yīng)信號。
“一開始我們關(guān)注的是波長的行為，但是很快就注意到（激光輻射）強(qiáng)度會受到溶液pH值和聚合物的影響，”橫濱國立大學(xué)電子與計算機(jī)工程系的教授Toshihiko Baba說。“我們的實驗結(jié)果有很高的重復(fù)性，而且有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)波長和強(qiáng)度的行為是彼此獨(dú)立的。”
這個結(jié)果讓研究人員們很吃驚，他們發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象時，用原子層沉淀法將二氧化鋯保護(hù)層鍍在儀器表面，之后用該儀器分別探測具有高，低pH值以及含有帶電聚合物的溶液。結(jié)果顯示，保護(hù)鍍層對于保護(hù)納米激光器不受損壞以及避免不必要的波長移動十分必要。
納米激光器可以感應(yīng)表面電荷，是因為表面電荷改變了電子在激光器半導(dǎo)體表面態(tài)中的占用率，Baba解釋到：“這就改變了半導(dǎo)體的發(fā)光效率。”
迄今為止，該組的工作是用光子晶體感應(yīng)器探測表面電荷的首次報道。“這使得基于納米激光器的生物感應(yīng)器可通過波長和強(qiáng)度兩個參數(shù)來探測生物分子的吸收特性，”Baba說。其結(jié)果涵蓋不同的物理參數(shù)，研究人員可用來進(jìn)一步分析生物分子的信息。
并且該技術(shù)“僅通過測量強(qiáng)度，也可以探測出生物分子的吸收信息，這一點(diǎn)和傳統(tǒng)方法相比是一個顯著優(yōu)勢，”Baba補(bǔ)充到。
傳統(tǒng)的生物傳感方法“依賴于官能于生物分子的熒光標(biāo)記，”他說。“據(jù)此，我們通過光激勵便很容易鎖定生物分子，事實上這也是當(dāng)前應(yīng)用于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)方法。”那么傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)有哪些呢？熒光標(biāo)記官能化的過程常常費(fèi)用昂貴。
為了解決這一問題，許多研究組致力于研發(fā)無標(biāo)記探測方法，比如利用光學(xué)諧振腔和電漿態(tài)中的共振。但是這些方法需要用到波長或共振光角的光譜分析，費(fèi)用依然不菲。
而基于納米激光器的生物感應(yīng)器通過激光強(qiáng)度的變化來探測生物分子，這樣既不需要標(biāo)記也不用光譜儀，因此大大簡化了探測的過程，這一方法已經(jīng)在DNA分子中得到了驗證。
談到納米激光生物感應(yīng)器的潛在應(yīng)用，研究組希望該技術(shù)“作為一種比以往更為簡單的方法在人類體液如血液中探測DNA分子，探測癌癥以及阿爾茨海默氏癥的標(biāo)記蛋白，”Baba強(qiáng)調(diào)說。“我們打算進(jìn)一步研究這種現(xiàn)象的敏感性，選擇性和穩(wěn)定性。如果這些問題都可以被理清，我們將把該技術(shù)推向?qū)嶋H應(yīng)用。”
“我們的研究項目從2012年開始，將持續(xù)到2016年，最終目標(biāo)是研發(fā)出基于光子晶體納米激光器的感應(yīng)器，用來探測生物標(biāo)記，”Baba說。“我們目前在進(jìn)一步簡化和發(fā)展感應(yīng)器，希望在未來幾年內(nèi)可以投入實際應(yīng)用。”
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