新的成像技术让痕量化学物质显形

亚利桑那州立大学的科学家N.J. Tao和他在生物设计研究所的同事发现了一种新的多用途方法，可以显著改善对在国家安全、人类健康和环境等领域具有重要性的痕量化学物质的检测。

Tao的研究组有能力检测和识别在指纹的隆起和凹陷处的三硝基甲苯（TNT）炸药的微小颗粒——每一个颗粒都小于十亿分之一克。“我们可以轻易地检测到TNT的痕迹，因为我们把提供空间分辨率的光学显微镜与高灵敏度和高选择性的电化学探测的长处结合了起来，”他说。这项研究的结果发表在了3月12日出版的《科学》杂志上。

Tao的这项研究涉及了在他的实验室开发的一种混合技术的应用，称为电化学成像显微镜。“我们不仅仅使用电化学，”担任生物设计研究所的生物电子学和生物传感器中心主任兼Ira A. Fulton工程学院电子工程教授的Tao说。“我们把电化学传感与包括光学检测在内的其它技术结合了起来。”

这项技术比更传统的检测技术具有几个优点，而且它是比单独的光学或电化学传感更强有力的工具。它很快速，对于它探测的化学系统是非侵入式的，并且为研究提供了表面的详细地图，揭示了每个位置存在的化学物质。

尽管Tao的已发表结果凸显了电化学成像显微镜发现炸药残留物的本领，他指出这种方法可以用于各种各样的检测应用。他的研究组目前正在使用电化学成像显微镜监测活细胞的活动，并探测蛋白质生物标记——它们是早期预警信号，可以向医生提示疾病的症状前迹象。这可以提供比当前的微阵列方法更快和成本更低的生物标记发现方法。其它可能的应用包括检测饮用水中的重金属离子。

这项技术免去了用于化学传感的传统的微电极的使用。Tao解释说：“关键概念在于把一个光信号转化成局部的电化学电流。”这要归功于一种称为表面等离振子共振的现象。

在电极（电流通过的金属导体）中，电子自由运动，以一种称为等离振子的波一样的方式振荡。对表面的等离振子进行光照会导致电子吸收能量并进入激发态。Tao指出，等离振子对于发生在电极表面附近的任何变化非常敏感。例如，如果一种电化学反应涉及到发生氧化或者还原（分别对应着失去和得到电子）的时候，等离振子以反射光的形式表现出这种变化（可以通过检测到的光信号的变化推断出电化学电流）。这种技术可以提供直径小于1微米的痕量化学物质的分辨率。

这项TNT实验首先把一个指纹沉积在一个电极的表面。指纹上隆起的脊形成了纤细的蛋白质层，阻挡了电化学电流的流动，而指纹上的沟又能让电流流动，当施加电势的时候，这能够提供显示指纹鲜明的浮雕效果的反差。

接下来，施加的电势降低，从而对应于TNT的特定的还原电势，此时这种炸药粒子的点显现出来，提供了光学和化学的证据。值得注意的是，这种技术可以成功地探测少量的TNT，即便它们与其它种类的颗粒混合在一起，包括痕量的灰尘、空气中的颗粒物质或蜡。

该研究受到了国家科学基金会特别创造奖的支持。该研究的作者还包括：Xiaonan Shan, Urmez Patel, Shaopeng Wang和Rodrigo Iglesias

本文作者：Richard Harth
生物设计研究所科学作家
richard.harth@asu.edu