感知看不见的线索：蝴蝶仿生学如何帮助科学家检测癌症
感知看不见的线索：蝴蝶仿生学如何帮助科学家检测癌症伊利诺伊大学的研究人员从蝴蝶的紫外线视觉中获得灵感，开发出一种成像传感器，能够识别紫外线并区分癌细胞和健康细胞，准确率高达99%。这种创新型传感器将过氧化物纳米晶体与硅技术相结合，有望应用于癌症手术和生物研究，并得到了美国的大笔资助。生物启发成像传感器上方的蝴蝶图案。资料来源：伊利诺伊大学香槟分校Grainger工程学院受Papilioxuthus蝴蝶增强视觉系统的启发，一个研究小组开发出了一种成像传感器，能够"看到"人眼无法看到的紫外线范围。传感器的设计采用了堆叠光电二极管和过氧化物纳米晶体（PNC），能够对紫外线范围内的不同波长成像。利用生物医学标记（如氨基酸）的光谱特征，这种新型成像技术甚至能够区分癌细胞和正常细胞，可信度高达99%。这项由伊利诺伊大学香槟分校电气与计算机工程教授维克多-格鲁耶夫（ViktorGruev）和生物工程教授聂树明领导的新研究最近发表在《科学进展》（ScienceAdvances）杂志上。Gruev说："蝴蝶能够感知紫外线光谱中的多个区域，我们从蝴蝶的视觉系统中汲取了灵感，设计出了一款能够复制这种功能的相机。我们通过使用新型的过氧化物纳米晶体，并结合硅成像技术来实现这一目标，这种新型相机技术可以探测多个紫外线区域。"紫外线是波长比可见光短（但比X射线长）的电磁辐射。我们最熟悉的是来自太阳的紫外线辐射及其对人体健康的危害。紫外线根据不同的波长范围分为三个不同的区域--UVA、UVB和UVC。由于人类无法看到紫外线，因此捕捉紫外线信息，尤其是分辨每个区域之间的细微差别具有挑战性。蝴蝶却能看到紫外线光谱中的这些细微差别，就像人类能看到蓝色和绿色的深浅一样。格鲁耶夫指出："我很好奇它们是如何看到这些微小变化的。紫外线是非常难以捕捉的，它会被所有东西吸收，而蝴蝶却能做得非常好。"人类的视觉是三基色的，有三个感光器，感知到的每一种颜色都可以由红、绿、蓝三种颜色组合而成。然而，蝴蝶的眼睛是复眼，有六个（或更多）感光器，对光谱的敏感度各不相同。特别是黄色的亚洲燕尾蝶Papilioxuthus，它不仅有蓝色、绿色和红色受体，还有紫色、紫外线和宽带受体。此外，蝴蝶还具有荧光色素，可以将紫外线转化为可见光，然后很容易被光感受器感知。这使它们能够感知环境中更多的颜色和细节。除了感光器数量的增加，蝴蝶的感光器还呈现出独特的分层结构。为了复制Papilioxuthus蝴蝶的紫外线感知机制，UIUC团队通过将一层薄薄的PNC与硅光电二极管的分层阵列相结合来模拟这一过程。PNCs是一类半导体纳米晶体，具有类似量子点的独特性质，改变粒子的大小和组成就能改变材料的吸收和发射性质。在过去几年中，PNCs已成为太阳能电池和LED等不同传感应用中的一种有趣材料。PNC在探测紫外线（甚至更低）波长方面表现出色，而传统的硅探测器却无法做到这一点。在新型成像传感器中，PNC层能够吸收紫外线光子，并重新发出可见光（绿色）光谱，然后被分层硅光电二极管检测到。对这些信号进行处理后，就能绘制和识别紫外线特征。与健康组织相比，癌症组织中存在浓度更高的各种生物医学标记物--氨基酸（蛋白质的组成成分）、蛋白质和酶。在紫外线的激发下，这些标记物在紫外线和部分可见光谱中发光并发出荧光，这一过程被称为自发荧光。"紫外线区域的成像一直受到限制，我认为这是取得科学进步的最大障碍。现在，我们发明了这种技术，可以对紫外光进行高灵敏度成像，还能分辨微小的波长差异。"由于癌细胞和健康细胞的标记物浓度不同，因此光谱特征也不同，因此可以根据它们在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分辨癌症相关标记物的能力，发现该设备能够区分癌症细胞和健康细胞，置信度高达99%。格鲁耶夫、聂和他们的合作研究团队设想能在手术中使用这种传感器。最大的挑战之一就是知道要切除多少组织才能确保边缘清晰，而这种传感器可以帮助外科医生在切除癌症肿瘤时更容易做出决策。"这种新的成像技术使我们能够区分癌细胞和健康细胞，并开辟了健康领域以外的令人兴奋的新应用，"聂说。除了蝴蝶之外，还有许多其他物种也能看到紫外线，有了探测紫外线的方法，生物学家就有了更多了解这些物种的有趣机会，比如它们的狩猎和交配习惯。将传感器置于水下也有助于更好地了解水下环境。虽然很多紫外线会被水吸收，但仍有足够的紫外线会对水产生影响，而且水下有很多动物也能看到和利用紫外线。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1395171.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1395171.htm
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