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[译转]基于等离子电子学的生物传感器

已有 3160 次阅读 2012-3-19 11:02 |系统分类:海外观察|关键词:电子学,等离子,血糖检测,炎症监测| 电子学, 等离子, 血糖检测, 炎症监测

来源;http://spectrum.ieee.org/biomedical/diagnostics/plasmonics-promises-better-biosensors
原文标题:Plasmonics Promises Better Biosensors
什么是Plasmon?
未见确切翻译,很多译为等离子。Plasmon是电子形成的快速振动的波,是由于在特定环境下光子轰击到金属表面产生的。该电子波的频率接近光的频率。理论上可以比普通电磁波携带更大量的信息。Plasmonics的构造类似于(Electron->Electronics,电子->电子学)。Plasmonics被认为结合了光和电子数据传输的优点,允许在很细的导线中传递大容量信息。
光纤通信的带宽大,但需要太过笨重的光纤,而基于等离子电子学的传输却仅需非常细的电线,这将大量节省体积。Plasmon也被称作“导线上的光”。

Image: Domenico Pacifici


--------正文开始------
糖尿病患者最常做的事情就是测量血液中血糖的含量。当然采血总归是一件稍稍可怕的事情,工程师或科学家最喜欢干的事情就是简化这一过程,他们无微不至的对个体进行关怀,千方百计的开发不用采血的测量方法。例如:采用近红外光在耳垂部分进行光学测量的方式已经得到较广泛的应用。但耳垂的测量精度还是有点问题,血糖需要准确测量还是一件医学上比较重要的事情。

Brown大学的Domentico Pacifici团队提出了一种基于等离子电子学的干涉仪方案来进行血糖测量。这种仪器可以检测水中非常低的葡萄糖分子,甚至经过改良还可以检测唾液中的糖分子。这样,血糖检测就不需要用针刺一下了,仅仅需要吐点口水。

该干涉仪工作于纳米尺度,非常的小,其基本结构如下图所示,银薄膜被裂缝分为两片,每片上蚀刻了凹槽。当白光照射到了薄膜,凹槽会朝不同方向散射光线。其中的一些光子会沿着金属表面射向裂缝,并与金属里的自由电子相互作用,并激发出表面等离子极化波。这种波从凹槽处产生并射向裂缝,并会影响中心部位的光强度,例如增加或降低通过裂缝的光强度。


光波与两个等离子极化波产生了干涉,这就像一种空间混频器。

如果银膜上滴了一滴水,其干涉输出结果不会变。但如果改变了凹槽和裂缝之间的距离,或者改变了光的波长,出射光的强度就会改变。尝试不同种参数配置的方式,就可以得到水的指纹信息。

在制造干涉仪的时候,可以将不同的参数组合全部做出来,因为其尺寸很小,并不会占用太多的空间。当水中混入了葡萄糖分子,那么其出射光的干涉指纹就会变化,葡萄糖分子即被检出。

难题还是无处不在,唾液中99%的成分是水,另外1%的成分变化多端,多种不能预知的成分必然会对葡萄糖分子的检测结果产生混叠,无法准确测量葡萄糖分子的存在与否,或者含量多少。Pacifici还没解决这个问题,他准备建立一个仅容许水和葡萄糖分子通过的过滤装置来解决这个问题。

质疑的声音也还是很多。血糖浓度的检测对即时性有较高的要求,必须检测最多5分钟前的血糖浓度。而唾液中葡萄糖的含量与血糖含量具有一定关系,但葡萄糖在唾液中的表现相对于血糖必然有较大的时延,这个时延量还是并未确定的科学问题,并且唾液中葡萄糖的含量与血糖浓度之间的定量关系也是不清楚的。那么在直接测血糖并不那么恐怖的现在,费劲心理得到一个并不可靠的唾液葡萄糖浓度有什么用呢??

也许,该干涉仪的未来并不在于测定葡萄糖浓度,Pacifici的实验室准备用干涉仪来检测名为cytokines的信号蛋白,可以表征体内炎症的水平。对外科医生来讲,对炎症水平的实时检测具有很大的意义。




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