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诊断与双折射

  发表时间:2015年08月27日  点击数:945 次

  感染埃博拉病毒的样品的双折射图像。来源ETH Zurich/Jijo Vallooran。

  没有什么东西是简单的:将一滴血放置到一个特殊的载体基板上,经过数分钟之后,将该基板放置到一台可以发射偏振光的设备上。然后用包含有二次偏振滤光片的元器件覆盖在上面,这个元件可以屏蔽掉所有其他材料的光,只有具有方向特性的材料或者晶体的光可以通过。如果光线通过偏振滤光片后可见,那么这就是一次可行的诊断。通过这种方法可以立即做出判断“是或否”。同时测量光线强度也是可能的,从而可以知道病原体的量。

  这听起来有点像科幻小说一样,但是现在已经变成了现实。由食品和软材料Raffaele Mezzenga教授最近发表了一篇论文,介绍了这种新的测量疟原虫的方法,同时也可以测量埃博拉病毒、HIV、不同的细菌或生物标记物,例如葡萄糖或者胆固醇等。这种检测方法并不仅仅非常快速,和其他检测方法相比,这种方法也相对便宜。

  双折射的利用

  虽然这项新技术背后的概念非常普通,且操作起来非常简单,但是这项科学研究背后的科学基础确是非常复杂的。科学家利用了脂类溶致液晶中的偏振光的双折射现象,这种材料在水中具有脂肪分子的自组装结构。Mezzenga教授的研究小组已经对这种材料研究了很久,也研究了这种材料的其他应用,例如药物运送和蛋白质结晶等。溶致液晶会自我组装成具有特殊对称性的网络结构,这意味着其中的基元会周期性的循环排列。在液态晶体立方相中,网络结构中的通道是由液态双折射膜所组成,其直径只有数纳米,因此只有很少的水分子可以存在于液晶之中,而大多数的水分子会在通道周围聚集。这种液晶立方相是各向同性的,即没有任何双折射特性,这意味着将这样的材料置于光源之下时,可允许偏振光通过,而在通过另一个相对角为90°的偏光片之后看到的只是黑场。

  酶反应产生的信号

  为了实现双折射,并且获得信号,研究人员又采用了其他的方法:他们将特定的酶加入到液晶之中,从而使得纳米管中会发生化学反应。由于纳米管中只有少量的水,因此形成的产物会优先沉淀在一起形成晶体,从而会形成双折射。通过一个二次偏振滤光片,可以观察酶反应区域的基板处的光的图像。“这种双折射图样是唯一我们需要的信号,可用于进行诊断和分析。”Mezzenga说。在研究的一开始,科学家采用可通过酶转化的化学物质测试了他们的系统。然后他们更新了他们方法,并且采用了医学相关的物质,例如葡萄糖和胆固醇。不仅如此,他们将研究的测试范围拓展到了细菌和病毒。最终,Mezzenga、Vallooran及其同事表明他们的方法可用于诊断疟原虫造成的疟疾。“恶性疟原虫会侵入红细胞中,消灭到其中的血红蛋白。这些对寄生虫来说有毒的血红素组分会结晶,并因此具有固有双折射的表面。因此并不需要对其进行抗体标记,同时也不需要酶反应。” Mezzenga说。

  灵活、价廉、实用

  “我们的测试系统可以扩展到大量的不同病毒或者细菌,非常灵活。”Vallooran强调说。其使用起来非常方便,因为只有一个抗体—酶偶联物就可以检测病毒。ETH的研究人员相信这种方法可在那些实验设备非常昂贵以致无法负担的实验室中使用。“除了需要一台冰箱来存储抗体和酶以外,使用者仅仅需要一个盒子来检测偏振光和脂质载体物质,而这都很便宜。”Vallooran说。一些病原体,例如HIV或者埃博拉病毒等可以非常快速地进行检验,可以在一个小时内获得可靠报告。“我们的技术非常适合用于该领域,以及疾病检测的早期阶段。”研究人员也为该技术申请了一项专利。“我们希望可以制作一些真正有用的东西。”Vallooran说。这种检测方法的潜力特别大,尤其是那些会迅速蔓延爆发的疾病,例如埃博拉。但是该研究也需要更多的资金来帮助拓展开研究成果的市场。

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