使用智能手机检测单分子并诊断疾病

慕尼黑的路德维希-马克西米利安-大学(LMU)研究人员表明，可以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学诊断。

生物标志物在疾病的诊断和病程评估中起着核心作用。现在使用的标记包括基因，蛋白质，激素，脂质和其他种类的分子。在血液，脑脊液，尿液和各种类型的组织中都可以找到生物标志物，但大多数生物标志物有一个共同点：它们的浓度极低，因此在技术上难以检测和定量。

许多检测程序都使用分子探针，例如抗体或短核酸序列，旨在结合特定的生物标记物。当探针识别并结合其靶标时，化学或物理反应会产生荧光信号。如果这些方法足够灵敏，可以在血液中携带高比例的所有患者中识别出相关的生物标记物，那么这些方法就行之有效。另外，在实践中使用这种基于荧光的测试之前，必须先扩增生物标志物本身或其信号。最终目标是使医学筛查能够直接在患者身上进行，而不必将样品发送到遥远的实验室进行分析。

分子天线放大荧光信号

LMU物理化学主席Philip Tinnefeld制定了确定低浓度生物标志物水平的策略。他已经成功地将DNA探针与金或银的微小颗粒耦合。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：纳米粒子与入射光波之间的相互作用会增强局部电磁场，进而导致荧光振幅的大幅增加。这样，可以特异性地检测出含有抗生素抗性基因甚至病毒的细菌。

这项研究的第一作者凯特琳娜·特罗菲姆丘克(Kateryna Trofymchuk)说：“基于DNA的纳米天线已经研究了最近几年。“但是这些纳米结构的制造提出了挑战。” 菲利普·廷内费尔德(Philip Tinnefeld)的研究小组现在已经成功地更精确地配置了其纳米天线的组件，并将用作捕获探针的DNA分子定位在信号放大部位。在一起，这些修饰使得荧光信号能够被更有效地放大。此外，所涉及的微小体积约为zeptoliters(zeptoliter等于一升的10-21)，甚至可以捕获更多的分子。

DNA纳米技术可以实现高度的定位控制，该技术利用DNA的结构特性来指导各种纳米物体的组装-数量极大。Trofymchuk说：“在一个样本中，我们可以使用一种基本上由移液方法共同组成的程序，同时生产数十亿个这种纳米天线。”

智能手机上的常规诊断

该出版物的共同第一作者Viktorija Glembockyte说：“将来，即使在电力或实验室设备使用受到限制的地区，我们的技术也可以用于诊断测试。我们已经证明，我们可以直接检测出小的使用便携式的，基于智能手机的显微镜在血清中提取DNA片段，该显微镜在常规的USB电源盒上运行以监控测定。” 较新的智能手机通常配备相当不错的相机。除此之外，所需要的只是一台激光器和一个透镜-两个现成的廉价组件。LMU研究人员使用此基本配方来构建其原型。

他们继续证明，通过这种设置可以检测到细菌中抗生素抗性基因特异的DNA片段。但是该方法可以轻松修改以检测整个范围的有趣目标类型，例如病毒。Tinnefeld表示乐观：“过去一年表明，始终需要新的创新诊断方法，也许我们的技术有一天可以为开发一种可以在家中进行的廉价且可靠的诊断测试做出贡献。”