用智能手机检测单分子和诊断疾病

慕尼黑 Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) 的研究人员表明，可以使用低成本的光学装置检测单个分子发出的光。他们的原型可以促进医疗诊断。生物标志物在疾病的诊断和病程评估中发挥着核心作用。现在使用的标记包括基因、蛋白质、激素、脂质和其他类别的分子。生物标志物可以在血液、脑脊液、尿液和各种类型的组织中找到，但它们中的大多数都有一个共同点：它们的浓度极低，因此在技术上很难检测和量化。

许多检测程序使用分子探针，例如抗体或短核酸序列，它们旨在与特定的生物标志物结合。当探针识别并与其目标结合时，化学或物理反应会产生荧光信号。这些方法效果很好，只要它们足够敏感，能够识别血液中携带相关生物标志物的所有患者的高比例。此外，在实际使用这种基于荧光的测试之前，必须放大生物标志物本身或其信号。最终目标是能够直接对患者进行医学筛查，而无需将样本送到远处的实验室进行分析。

分子天线放大荧光信号

LMU 物理化学系主任 Philip Tinnefeld 开发了一种确定低浓度生物标志物水平的策略。他成功地将 DNA 探针与金或银的微小颗粒偶联。成对的粒子(“二聚体”)充当放大荧光信号的纳米天线。该技巧的工作原理如下：纳米粒子和入射光波之间的相互作用增强了局部电磁场，这反过来又导致荧光幅度的大量增加。通过这种方式，可以对含有抗生素抗性基因的细菌甚至病毒进行特异性检测。

“过去几年一直在研究基于 DNA 的纳米天线，”该研究的联合第一作者 Kateryna Trofymchuk 说。“但这些纳米结构的制造提出了挑战。” Philip Tinnefeld 的研究小组现在成功地更精确地配置了纳米天线的组件，并将用作捕获探针的 DNA 分子定位在信号放大位点。总之，这些修改使荧光信号能够更有效地放大。此外，在所涉及的极小体积中，其数量级为 zeptoliters(一个 zeptoliter 等于 10-21 升)，甚至可以捕获更多的分子。

DNA 纳米技术使高度的定位控制成为可能，该技术利用 DNA 的结构特性来指导各种纳米级物体的组装——数量极其庞大。“在一个样品中，我们可以同时生产数十亿个这样的纳米天线，使用的程序基本上包括将几种溶液移到一起，”Trofymchuk 说。

智能手机上的常规诊断

“在未来，”该出版物的共同第一作者 Viktorija Glembockyte 说，“即使在电力或实验室设备受到限制的地区，我们的技术也可以用于诊断测试。我们已经证明我们可以直接检测到小的血清中的 DNA 片段，使用便携式的、基于智能手机的显微镜，该显微镜在传统的 USB 电源组上运行以监测分析。” 较新的智能手机通常配备相当不错的相机。除此之外，所需要的只是一个激光器和一个透镜——两个现成且便宜的组件。LMU 研究人员使用这个基本配方来构建他们的原型。

他们继续证明，这种设置可以检测到细菌中抗生素抗性基因的特异性 DNA 片段。但是该测定可以轻松修改以检测一系列有趣的目标类型，例如病毒。Tinnefeld 乐观地说：“过去的一年表明，总是需要新的和创新的诊断方法，也许我们的技术有一天可以为开发一种可以在家进行的廉价且可靠的诊断测试做出贡献。”

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