早熟宝石:变形传感器可以报告身体深处的情况

   日期:2019-03-15     浏览:4    评论:0    
核心提示:早熟宝石:变形传感器可以报告身体深处的情况美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology)和美国
早熟宝石:变形传感器可以报告身体深处的情况

美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology)和美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)的科学家们设计并展示了一种新型可变形探针,其宽度约为人类头发的百分之一,能够进行灵敏、高分辨率的遥感,这是目前技术无法实现的。如果最终得到广泛应用,这种设计将对医学、化学、生物学和工程学的研究产生重大影响。最终,它可能会用于临床诊断。

到目前为止,大多数成像高度局部化的生化条件的工作,如pH*异常和离子浓度——许多疾病的关键标记——依赖于各种纳米传感器,这些传感器是用光学频率的光来探测的。但是,随着进入人体的深度增加,产生的光学信号的灵敏度和分辨率迅速下降。这就限制了大多数应用到不那么模糊,更容易被光学访问的区域。
《自然》(Nature)杂志网络版上描述的这种新型可变形探测器不受这些限制。它们使我们能够在组织内部的分子尺度上探测和测量局部条件,并实时观察它们的变化。
“我们的设计基于完全不同的操作原则,”NIST的Gary Zabow说,他与NIH的同事Stephen Dodd和Alan Koretsky领导了这项研究。这种改变形状的探测器不是基于光学传感,而是设计用于射频(RF)频谱,特别是可以用标准的核磁共振(NMR)或磁共振成像(MRI)设备检测。例如,在这些射频范围内,信号不会因介入生物材料而明显减弱。”
因此,它们可以从非常小的维度获得强大而独特的信号,这些维度位于非常深的地方,或者在其他无法用光学传感器探测的位置。
这种新型设备被称为几何编码磁传感器(GEMs),是一种经过微工程处理的金属凝胶三明治,比单个红细胞(人类最小的细胞之一)小5到10倍。每一个都由两个不同的磁盘组成,直径从0.5微米到2微米(百万分之一米),厚度只有几十纳米(十亿分之一米)。
圆盘之间是水凝胶的间隔层,这是一种聚合物网络,可以吸收水分并显著膨胀;膨胀量取决于凝胶的化学性质及其周围环境。相反,它也会随着当地条件的变化而收缩。凝胶的膨胀或收缩改变了两个圆盘之间的距离(因此也改变了磁场强度),进而改变了凝胶周围和内部水分子中的质子响应射频辐射的频率。在一定频率范围内扫描样品,可以快速识别纳米探针的电流形状,通过改变形状剂引起的共振频率的变化,有效地测量远程条件。


在《自然》杂志报道的实验中,科学家们在不同pH值的溶液中,在离子浓度梯度的溶液中,以及在含有活犬肾细胞的液体生长培养基中测试了传感器,因为在缺氧条件下,活犬肾细胞的新陈代谢从正常变为无功能。这种现象导致生长介质酸化,宝石能够感知到随时间的变化,并通过实时的共振频率变化记录下来。即使对于未优化的第一代探针,由pH值变化引起的频移也很容易解决,而且比传统的磁共振光谱法观察到的任何等效频移都要大几个数量级。
追踪生物体中高度定位的pH值可能很困难。(血液测试不一定能做到这一点,因为样本中混合了来自多个地点的血液。)然而,局部pH值的变化可以为许多病理学提供宝贵的早期信号。例如,癌细胞周围的pH值略低于正常水平,内部炎症通常会导致局部pH值的变化。检测这些变化可能会揭示,例如,一个看不见的肿瘤的存在,或显示是否感染已发展周围的外科植入。
Zabow说:“当然,这种潜在的应用在生物体中仍然有很长的路要走。”“我们的数据是在体外取得的。而且传感器的一些潜在应用可能根本就不是生物的。但长期目标是改进我们的技术,使gem可以用于生物医学用途。”
这将是
 
打赏
 
更多>同类资讯
0相关评论

推荐图文
推荐资讯
点击排行