纳米增强生物传感器可检测单个癌症蛋白

研究人员举例说明了他们检测血液中发现的BSA蛋白的新颖方法，甚至比单个癌症标记物还要小。当BSA蛋白落在与微腔相连的金纳米壳上时，颠簸的金球充当了相互作用的纳米放大器，从而导致腔共振频率的增强偏移。图表中的波显示了一旦BSA分子落在纳米壳上，光波长将如何移动（红色）。

纽约大学理工学院的科学家开发了一种纳米增强的生物传感器，可以检测单个癌症标志物蛋白。

纽约布鲁克林—纽约州立大学理工学院（NYU-Poly）的研究人员在创下检测溶液中最小的单一病毒的记录后仅几个月，就宣布了一项新突破：他们使用其专利的微腔生物传感器的纳米增强版来检测单个癌症标志物蛋白，该蛋白的大小仅为最小病毒的六分之一，甚至小于所有已知标志物的质量。这一成就打破了先前的记录，为最敏感的检测极限设定了新的基准，并可能大大促进疾病早期诊断。与当前的技术不同，该技术将荧光分子或标记附着到抗原上以使其可见，而新技术可以检测到没有干扰标记的抗原。

应用物理大学教授，奥斯曼·雅各布斯化学与生物分子工程系成员斯蒂芬·阿诺德（Stephen Arnold）在美国化学学会出版的《纳米快报》（Nano Letters）上发表了这项成就的详细信息。

2012年，阿诺德（Arnold）和他的团队能够在溶液中检测到最小的已知RNA病毒MS2，其质量为6指纹图。现在，通过博士后研究员Venkata Dantham和以前的学生David Keng的实验工作，已经检测到两种蛋白质：一种人类甲状腺癌标记蛋白甲状腺球蛋白，质量只有1个attogram；以及一种牛血浆形式的血浆蛋白，即血清白蛋白。 ，其质量要小得多，只有0.11埃特克。阿诺德说：“一个ATTB等于一百万分之一克，而我们相信我们的新检测限可能小于0.01 ATT。”

这个最新的里程碑建立在阿诺德（Arnold）和纽约大学-保利大学和福特汉姆大学的合作者开创的技术的基础上。2012年，研究人员通过用等离激元金纳米受体处理新型生物传感器，增强了传感器的电场并允许甚至检测到最小的共振频率位移，也创造了首个尺寸记录。他们的计划是设计一种医疗诊断设备，该设备无需现场特殊检测即可在现场即时医疗设备中识别单个病毒颗粒。

当时，检测单个蛋白质（比病毒小得多的蛋白质）的概念被提出为最终目标。

“蛋白质使身体运转，”阿诺德解释说。当免疫系统遇到病毒时，它会抽出大量抗体蛋白，所有癌症都会产生蛋白标记。能够检测一种蛋白质的测试将是可以想象到的最敏感的诊断测试。

令研究人员惊讶的是，在透射电子显微镜下对其纳米受体进行的检查表明，其金壳表面覆盖着大约蛋白质大小的随机凸起。斯蒂芬·霍尔勒曾经是阿诺德的学生，现在是福特汉姆大学物理学的助理教授，他创建的计算机制图和模拟结果表明，这些不规则现象产生了自己的高度反应性的局部灵敏度场，其范围扩展到了几纳米，放大了传感器的功能，远远超出了最初的预测。“病毒太大，无法通过该领域进行检测，”阿诺德说。“蛋白质的宽度只有几纳米，正好适合在这个空间中进行记录。”

单一蛋白质检测的意义重大，并可能为改善医学治疗方法奠定基础。在其他进步中，Arnold和他的同事认为，实时跟踪信号的能力-实际见证单个疾病标记蛋白的检测并跟踪其运动-可能使人们对蛋白质如何与抗体结合产生新的认识。

Arnold将这种无标签检测的新方法称为“耳语画廊模式的生物传感”，因为系统中的光波使他想起了声音在伦敦圣保罗大教堂圆顶下的耳语画廊周围反弹的方式。激光通过玻璃纤维将光发送到检测器。当微球紧贴光纤放置时，某些波长的光会绕行到球体内并在内部反射，从而使检测器接收到的光发生下降。当像癌症标记物之类的分子紧贴着附着在微球上的金纳米壳时，微球的共振频率就会发生可测量的位移。

该研究得到了美国国家科学基金会（NSF）的资助。今年夏天，阿诺德将开始扩展这些生物传感器容量的下一阶段。美国国家科学基金会（NSF）与密歇根大学（University of Michigan）教授Xudong Fan合作，向他提供了20万美元的新赠款。该赠款将支持构建等离激元增强的共振器的多重阵列，该阵列应允许在几分钟之内在血清中鉴定出多种蛋白质。

Nano Letters中的出版物标志着自1978年由Arnold领导的纽约大学-波利分校的生物光子微粒子光物理实验室成立以来发表的第100篇期刊论文。

出版物：Venkata R. Dantham等人，“使用纳米等离子-光子混合微腔进行无标签检测单个蛋白质”，Nano Letters，2013，13（7），第3347–3351页； DOI：10.1021 / nl401633y

图像：纽约大学