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蝴蝶如何帮助科学家检测癌症

我们的星球上有许多生物比人类拥有更先进的感官 。海龟可以感知地球的磁场 。螳螂虾可以检测偏振光 。大象能听到的频率比人类低得多 。蝴蝶可以感知更广泛的颜色 ， 包括紫外线 (UV) 。

蝴蝶如何帮助科学家检测癌症

文章插图
受Papilio xuthus蝴蝶增强视觉系统的启发 ， 一组研究人员开发了一种成像传感器，能够“看到”人眼无法到达的紫外线范围 。该传感器的设计采用堆叠光电二极管和钙钛矿纳米晶体 (PNC)，能够对紫外线范围内的不同波长进行成像 。利用氨基酸等生物医学标记物的光谱特征，这种新的成像技术甚至能够以 99% 的置信度区分癌细胞和正常细胞 。
这项新研究由诺伊大学香槟分校电气与计算机工程教授 Viktor Gruev 和生物工程教授 Shuming Nie 领导，最近发表在《Science Advances》杂志上 。
小变化
“我们从蝴蝶的视觉系统中获得灵感 ， 蝴蝶能够感知紫外线光谱中的多个区域，并设计了一款能够复制该功能的相机，”格鲁耶夫说 。“我们通过使用新型钙钛矿纳米晶体并结合硅成像技术来做到这一点，这种新的相机技术可以检测多个紫外线区域 。”
紫外线是波长比可见光短(但比 X 射线长)的电磁辐射 。我们最熟悉太阳的紫外线辐射及其对人类健康造成的危险 。根据不同的波长范围，紫外线分为三个不同的区域：UVA、UVB 和 UVC 。由于人类看不到紫外线，因此捕获紫外线信息具有挑战性，尤其是辨别每个区域之间的微小差异 。
然而，蝴蝶可以看到紫外线光谱中的这些微小变化，就像人类可以看到蓝色和绿色的色调一样 。格鲁耶夫指出：“我很感兴趣他们如何能够看到这些微小的变化 。紫外线非常难以捕捉，它只会被所有东西吸收，而蝴蝶却做得非常好 。”
模仿游戏
人类具有三色视觉，具有三个感光器，其中感知的每种颜色都可以由、绿色和蓝色组合而成 。然而，蝴蝶有复眼，有六种(或更多)光感受器类别，具有不同的光谱敏感性 。特别是，Papilio xuthus，一种电影的亚洲燕尾蝴蝶 ， 不仅具有蓝色、绿色和，还具有紫色、紫外线和宽带受体 。此外，蝴蝶具有荧光色素，使它们能够将紫外线转换成可见光，然后它们的感光器可以轻松地感知到可见光 。这使他们能够感知环境中更广泛的颜色和细节 。
除了光感受器数量增加之外 ， 蝴蝶的光感受器还表现出独特的分层结构 。为了复制Papilio xuthus蝴蝶的紫外线传感机制，UIUC 团队通过将薄层 PNC 与分层硅光电二极管阵列相结合来模拟该过程 。
【蝴蝶如何帮助科学家检测癌症】PNC 是一类半导体纳米晶体，具有与量子点类似的独特特性——改变颗粒的尺寸和成分会改变材料的吸收和发射特性 。在过去几年中，PNC 已成为太阳能电池和 LED 等不同传感应用的一种有趣材料 。PNC 非常擅长检测传统硅探测器无法检测的紫外(甚至更低)波长 。在新型成像传感器中，PNC 层能够吸收紫外光子并重新发射可见(绿色)光谱中的光，然后由分层硅光电二极管检测到 。对这些信号的处理可以绘制和识别紫外线特征 。
医疗保健及其他领域
癌组织中存在的各种生物医学标志物的浓度高于健康组织中的浓度——氨基酸(蛋白质的组成部分)、蛋白质和酶 。当受到紫外线激发时，这些标记物会发光并在紫外线和部分可见光谱中发出荧光，这一过程称为自发荧光 。“紫外线区域的成像受到限制，我认为这是取得科学进步的最大障碍，”聂解释道 。“现在我们已经提出了这项技术，我们可以高灵敏度地对紫外光进行成像，并且还可以区分微小的波长差异 。”
由于癌细胞和健康细胞具有不同浓度的标记物，因此具有不同的光谱特征，因此可以根据紫外光谱中的荧光来区分这两类细胞 。研究小组评估了他们的成像设备区分癌症相关标记物的能力，发现该设备能够以 99% 的置信度区分癌症和健康细胞 。
Gruev、Nie 和他们的合作研究团队设想能够在手术期间使用这种传感器 。最大的挑战之一是知道要切除多少组织以确保清晰的边缘，而这样的传感器可以帮助外科医生在切除癌性肿瘤时促进决策过程 。
“这种新的成像技术使我们能够区分癌细胞和健康细胞，并开??辟了健康之外的新的、令人兴奋的应用，”聂说 。除了蝴蝶之外，还有许多其他物种能够在紫外线下看到东西，并且拥有一种检测光线的方法将为生物学家提供有趣的机会，以更多地了解这些物种 ， 例如它们的狩猎和交配习惯 。将传感器放入水下也有助于更好地了解该环境 。虽然大量紫外线被水吸收，但仍有足够的紫外线能够穿透并产生影响 ， 而且水下的许多动物也能看到并使用紫外线 。

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