激光“镊子”竟可精确捕获、移动病毒

人生苦短何须

江苏激光联盟导读：
新设计的激光驱动设备可以利用光来精确捕获和移动病毒，有助于疾病诊断和病毒研究新方法的开发。


激光助力病毒学新突破


由新加坡南洋理工大学(Nanyang Technological University,NTU Singapore)领导的一个科学家团队创造了一种激光驱动的设备，可以利用光来捕获和移动病毒。这种能够操纵光线充当“镊子”的设备将有助于疾病诊断和病毒研究新方法的开发，因为这种设备可以精确地“移动”单个病毒，使其瞄准细胞的特定部分和区域。


科学家们说，这也将有助于疫苗的开发，因为该设备允许科学家在不到一分钟的时间内从成千上万个其他样本中分离出受损或不完整的病毒，弥补了之前现有的操作过程既繁琐又缺乏准确性的不足。




(从左至右)NTU李孔坚医学院(LEE KONG CHIAN SCHOOL OF MEDICINE,LKC-MED)副教授ERIC YAP，NTU电子电气工程学院教授 LIU AIQUN，NTU电子电气工程学院研究员LI ZHENYU


谈及该激光医疗技术，ERIC YAP教授说：“时至今日，我们分析病毒的传统方法是研究数千或数百万个病毒，然后发现并研究它们作为一个整体的平均行为和特征。利用我们基于激光的技术，可以单独研究单一病毒。”


“除了诊断疾病，我们的设备还可以用来发现异常值。这种罕见的单个病毒，有可能不断进化、甚至会引发下一波疫情。这将我们带入了一个可以在单一病毒水平上进行精确诊断的时代。”
研究人员在病毒操作芯片的数字设备测试了腺病毒(adenovirus)，腺病毒是一组常见的病毒，可以引起类似感冒的症状，直径为90至100纳米。虽然还没有在冠状病毒上进行测试，但它有潜力用于SARS-CoV-2病毒的研究，这种病毒导致新冠肺炎病毒，两者大小相似，直径在80到120纳米之间。


领导这项研究的NTU电子电气工程学院的LIU AIQUN教授说：“我们的发明利用光来操纵一定大小范围内的病毒，现在已经证明该方法对腺病毒有效。我们相信，我们的独特设备还可以用来捕获和集中新型冠状病毒，用于研究和诊断。”


这项研究的发现发表在《ACS Sensors》科学杂志上。来自香港理工大学、香港大学、香港科技大学、科学、技术和研究署(A*STAR)、悉尼科技大学和澳大利亚国立大学的研究人员也参与了这项研究。


该设备长宽均为2厘米，大约是一个缩略图的大小，由氧化硅和氮化硅制成的芯片组成，芯片上有纳米大小的空腔来容纳捕获的病毒。在芯片的上方是一个激光器，它以适当的能量引导高度聚焦的光束，充当一对“镊子”，可以隔离和移动病毒。
光流控芯片中单一病毒的光学检测。(a) 与500纳米聚苯乙烯纳米颗粒结合的病毒。病毒-粒子复合体也与荧光量子点相连。单个病毒可以通过观察量子点的荧光来显现。PP:聚苯乙烯纳米粒子。QD:量子点。(b)光学探测系统。光通过锥形光纤耦合到芯片中。使用平端光纤测量激光功率。TF:锥形光纤；FF:平端光纤。(c) 光流控芯片的照片。硅芯片与玻璃芯片通过1微米PMDS层结合。比例尺为1厘米。(d) 纳米波导对阵列的扫描电镜图像。纳米波导的宽度和深度分别为350和220纳米。两个纳米波导和两个波导对之间的间隙分别为200纳米和1微米。比例尺为5 μm。


该设备的工作原理是将血液等含有病毒的液体装入芯片。之后，激光束射向它，形成光点。由于光点中心的光强最高，这就产生了一种强大的力量，将病毒吸引并捕获在芯片上指定的空腔中。通过改变光点的位置，病毒可以自由地移动到芯片的其他部分。这使得从40纳米到300纳米的不同大小的病毒的分类和集中变得容易。
500纳米聚苯乙烯纳米粒子的光学力分析。(a)电场和(b) 场强分布，(c) x方向和(d) y方向的光学力，(e)从Fx = 0和Fy = 0的等高线交点确定光学陷印位置，红色和黑色轮廓分别是x和y方向的稳定位置。(c)至(e)中的激光功率为10 mW。


“我们的发明是病毒研究的一个突破，因为它让我们能够挑选出单个样本进行研究，而今天的可比技术只能处理大量病毒。”LIU教授表示，“例如，我们可以分离出带有突变的单个病毒，以开发针对这些变体的疗法。我们的发明使用了生物相容的绝缘材料，不像目前的分类方法会产生大量的热量，不容易发热。科学家们对此很有信心，可以用这种设备处理病毒，而不会对它们的特性和生存能力造成任何影响。”
病毒、粒子和量子点免疫标记。s和B分别表示链霉亲和素、生物素。


Yap教授补充说：“利用这项技术，我们可以手工挑选特定的病毒颗粒，并对它们进行研究，以获得对它们及其引起的疾病的新见解。通过对特定的病毒突变体进行更详细的分析，而这会导致表征和对抗这些病毒变体的新方法。”


NTU以及其他科学家们正在努力扩大这一激光设备的使用范围。他们正在研究该设备如何引导独立病毒感染人体某一靶细胞。该团队表示，这将导致病毒研究的进展，并提高疫苗和抗病毒药物开发的效率。
来源：NTU官网
江苏激光联盟陈长军原创作品！

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