Nanomushroom传感器：一种材料许多应用

Amy Shen教授的办公桌上放着一个小矩形的粉红色玻璃，大小相当于一张邮票。尽管外观适中，但这种小型载玻片有可能彻底改变从监测食品质量到诊断疾病的各种过程。

滑块由“纳米弹性”材料制成 - 其表面涂有数百万个金纳米结构，每个金纳米结构的尺寸仅为十亿分之一平方米。等离子体材料以有趣的方式吸收和散射光，赋予它们独特的传感特性。纳米等材料引起了生物学家，化学家，物理学家和材料科学家的关注，可能用于各种领域，如生物传感，数据存储，光生成和太阳能电池。

在最近的几篇论文中，沉教授和冲绳科学技术研究所(OIST)微/生物/纳米流体单元的同事描述了他们创造的一种新的生物传感材料，可用于监测活细胞的过程。

“纳米等离子体的主要目标之一是寻找更好的方法来实时监测活细胞的过程，”沉教授说。她解释说，捕获这些信息可以揭示细胞行为的线索，但是创建纳米材料，细胞可以长时间存活，但不会干扰正在测量的细胞过程，这是一个挑战。

计算分割单元格

该团队的新生物传感器之一是由纳米弹性材料制成，能够在单个基板上容纳大量细胞并监测细胞增殖，这是一个实时涉及细胞生长和分裂的基本过程。看到这个过程在行动可以揭示对细胞和组织的健康和功能的重要见解。

OIST的Micro / Bio / Nanofluidics Unit的研究人员在最近发表在Advanced Biosystems期刊上的一项研究中描述了这种传感器。

该材料最吸引人的特点是它允许细胞长时间存活。“通常，当你将活细胞放在纳米材料上时，这种材料是有毒的，它会杀死细胞，”OIST的博士后研究员，该论文的第一作者Nikhil Bhalla博士说。“然而，使用我们的材料，细胞存活超过七天。” 纳米质子材料也是高度敏感的：它可以检测到1000个细胞中小至16个细胞的增加。

这种材料看起来就像一块普通的玻璃。然而，表面涂有微小的纳米弹性蘑菇状结构，称为nanomushrooms，具有二氧化硅和金的帽子。它们一起形成能够在分子水平上检测相互作用的生物传感器。

生物传感器通过使用纳米壁帽作为光学天线来工作。当白光通过纳米等离子体载玻片时，纳米光罩会吸收并散射一些光，从而改变其性质。光的吸收和散射由纳米材料的尺寸，形状和材料决定，更重要的是，它还受到靠近纳米壁的任何介质的影响，例如放置在载玻片上的细胞。通过测量光线从幻灯片另一侧出现后的变化情况，研究人员可以检测并监测传感器表面发生的过程，如细胞分裂。

“通常情况下，你必须在细胞中添加染料或分子等标签，才能计算分裂细胞，”Bhalla博士说。“然而，通过我们的方法，nanomushrooms可以直接感知它们。”

生产大规模的纳米等离子体材料具有挑战性，因为难以确保整个材料表面的均匀性。出于这个原因，仍然缺乏用于常规临床检查的生物传感器，例如疾病检测。

为了解决这个问题，OIST的研究人员开发了一种新颖的印刷技术来制造大型纳米刷室生物传感器。通过他们的方法，他们能够在2.5厘米×7.5厘米的二氧化硅基质上开发出由大约一百万个蘑菇状结构组成的材料。

“我们的技术就像拿一张印章，用生物分子制成的墨水覆盖它，然后打印到纳米级幻灯片上，”OIST的博士生，该论文的共同作者Shivani Sathish说。生物分子增加了材料的敏感性，这意味着它可以感知极低浓度的物质，如抗体，从而可能在最早阶段发现疾病。

“使用我们的方法，可以创建一种高灵敏度的生物传感器，甚至可以检测单个分子，”该论文的第一作者Bhalla博士说。

等离子体和纳米等离子体传感器为许多领域提供了重要的工具，从电子产品到食品生产再到医药。例如，2017年12月，该部门的第二年博士生Ainash Garifullina开发了一种新的等离子体材料，用于监控制造过程中的食品质量。结果发表在分析方法杂志上。

沉教授和她的部门表示，未来，纳米等材料甚至可以与新兴技术相结合，例如微流体设备中的无线系统，允许用户远程读取读数，从而最大限度地降低污染风险。