微米和纳米

纳米蘑菇传感器:一种材料,多种应用

来自冲绳科学技术研究所(OIST)的研究人员发明了一种等离子体纳米传感器,可以实时监测细胞的增殖,并具有其他的应用潜质。研究发表在最近的《ACS Applied Materials and Interfaces》杂志上。揭示细胞的增殖过程是对细胞和组织的健康和功能的重要洞察。

纳米蘑菇传感器:一种材料,多种应用

图中显示了细胞(蓝色山形)在纳米蘑菇样的结构顶部,这种“纳米蘑菇”含有二氧化硅的茎和金质的帽子,这种传感器有望实时监测细胞的增殖。图片来源:OIST

这种材料最吸引人的地方在于它能让细胞在很长一段时长内存活。“通常,当你把活细胞放在纳米材料上时,由于纳米材料的质是有毒的,它会杀死细胞,”该论文的第一作者博士后研究员 Nikhil Bhalla 博士说,“然而,使用我们的材料,细胞存活了 7 天以上。纳米颗粒材料也具有高度的敏感性:它能检测到 1000 个细胞中的 16 个细胞的微小增殖。”

这些材料看起来就像普通的玻璃片。然而,表面覆盖着微型的纳米颗粒状结构,被称为纳米蘑菇,有二氧化硅的茎和金的帽子。这些组成的生物传感器能够探测分子水平的相互作用。

该生物传感器的工作原理是利用纳米蘑菇作为光学天线。当白光穿过纳米颗粒的薄片时,纳米蘑菇会吸收并散射一些光,从而改变其性质。光的吸光度和散射是由纳米材料的大小、形状和材料决定的,更重要的是,它也受到任何靠近纳米蘑菇的介质的影响,如放置在纳米薄片上的细胞。通过测量光线在薄片的另一侧出现后的变化,研究人员可以检测和监测发生在传感器表面的过程,例如细胞分裂。

“正常情况下,你必须在细胞中加入一些标签,比如染料或分子,才能计算出细胞分裂的数量,”Bhalla 博士说,“然而,用我们的方法,纳米机器人可以直接感应到它们。”

尽管纳米材料用于检测具有很好的优势,但是生产大规模的纳米材料具有挑战性,因为很难保证整个材料表面的均匀性。由于这个原因,常规临床检查的生物传感器,例如疾病测试,仍然缺乏。

为了应对这个问题,研究人员开发了一种新型的打印技术来制造大规模的纳米蘑菇生物传感器。通过他们的方法,他们能够开发出一种由大约 100 万个蘑菇状结构组成,2.5cm 的二氧化硅基板。

“我们的技术就像打印一枚邮票,用生物分子的墨水覆盖它,然后把它印在纳米颗粒的薄片上,”Shivani Sathish 博士说,他是这篇论文的联合作者者。生物分子增加了材料的敏感性,这意味着它可以感知到极低浓度的物质,如抗体,从而有可能在早期发现疾病。

纳米蘑菇传感器:一种材料,多种应用

利用他们创新的打印技术,OIST 的研究人员们开发了一种纳米等离子体材料,其中含有数百万个类似蘑菇状结构的生物分子。图片来源:OIST

“使用我们的方法,我们有可能创造出一个高度敏感的生物传感器,甚至可以检测到单个分子,”该论文的第一作者 Bhalla 博士说。从电子产品到食品生产到医学,等离子体和纳米颗粒传感器为许多领域提供了重要的工具。

参考资料:[1] Nanomushroom Sensors: One Material,Many Applications

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