南京大学电子科学与工程学院超导电子学研究所金飚兵教授、医学院侯亚义教授研究组最近在太赫兹医学应用研究方面取得新进展,他们合作报道了一种新型、简易监控细胞凋亡率的柔性生物传感器。该生物传感器对细胞无标记、无损害,是一种原位测量,可通过测量传感器谐振频率的变化反应细胞的凋亡率以及细胞状态的改变。该成果近期发表在Applied
Physics Letter (108:241105,
2016),doi:

12月14日上午10点,IEEE磁学分会杰出讲师、明尼苏达大学Bethanie
Stadler教授应材料学院邀请于格莱特研究所报告厅做了主题为《Magnetic
Nanowires:Revolutionizing Hard Drives, RAM, and Cancer
Treatment》的学术报告。报告由材料学院副院长徐锋教授主持,材料学院、理学院的部分师生参加了本次讲座。

高精尖科学仪器是进行基础研究探索、科技创新的重要武器。不仅是重大原创性科研成果产生的关键,也影响着我国在重大仪器研制方面与发达国家的差距水平。
近期,我国在科学事业探索领域,突破发展掣肘和瓶颈,创新研发出多款精尖仪器设备。新型低温光学SPM联合分子束外延系统、多角度干涉显微镜制备、新型太赫兹探测器等成果竞相迸发,助力相关行业取得一定进步。
作为研究低维材料和表面科学的重要工具,扫描隧道显微镜及其相关各类扫描探针显微技术的发明极大推动了纳米科技的发展。但该类设备涉及超高真空、低温、极低振动、精密机械加工、精密电子学探测和控制等诸多技术领域,我国SPM设备长期以来主要依靠从发达国家进口。
最近,在中科院物理研究所郇庆研究员的直接指导与带领下,N04组的博士研究生吴泽宾、高兆艳等成功研制并搭建了多台套新型低温光学SPM联合分子束外延系统,具有性能稳定、可扩展性强、样品制备能力完善和光学兼容性好的特点,主要技术指标达到国际同类商业化系统的优良水平。
超分辨荧光显微技术使科学家可通过光学显微镜实时追踪样本的生命周期,看到各种生物大分子的运动和变化。但这项获得诺贝尔奖的技术也有其不足,在大多数情况下成像需要很强的激发光,常常会将细胞杀死,且强光照射也会导致荧光分子被快速漂白,无法对活细胞进行长时程成像。
近期,浙江大学光电科学与工程学院刘旭教授和匡翠方教授课题组提出一种新的光学成像技术。基于该技术的仪器——多角度干涉显微镜也已制备成功,正在产业化。该技术为微管、内质网、线粒体和细胞膜等亚细胞器的生物动力学分析提供了有力的研究工具,有助于揭示更多生命内在规律。未来或可通过MAIM显微镜了解这些动态过程,从而大大提高研究效率。
太赫兹波是介于微波和红外线之间的电磁波,具有穿透性强、安全性高、定向性好等优势,有望用于医疗、宇宙探索等领域。但现有太赫兹波探测器存在效率低下的问题,主要是因为太赫兹波与检测元件之间尺寸不匹配。晶体管仅百万分之一米,而太赫兹辐射的波长是其100倍,导致太赫兹波从探测器身边溜走。
据媒体报道,来自俄罗斯、英国、日本、意大利的科学家团队,开发出了一种基于石墨烯的太赫兹探测器。新设备既可充当灵敏的探测器,也可作为工作频率在太赫兹范围的光谱仪使用。新设备实际上也是尺寸仅为几微米的太赫兹光谱仪,可通过电压调谐控制谐振频率。此外,它还可用于基础研究,在不同频率与电子密度下测量探测器中的电流,展示出了等离激元的特性。
不难发现,科学家对技术精进的追求是永无止境的。而相关技术的突破与进步,或将带来的是经济领域的巨变,哪怕是结构方面、工艺改进的细节创新。一旦前沿的科学技术投入生产,并进行产业化推进,其对行业的促进性都是不可估量的。尤其是颠覆性的技术创新与里程碑式的科技成果的诞生。

细胞凋亡率的测量一直是生物医学领域的基础性需求,目前广泛使用的流式细胞术需要消耗荧光标记的抗体,且是一次性的,无法回收使用,成本高且耗时。而报道的这种太赫兹生物传感器不需要使用任何标记物,对细胞无任何影响,只需要在细胞培养容器底部事先放置一枚该太赫兹生物传感器即可,通过测量传感器谐振频率的变化即可得出细胞的凋亡率。进一步改进测量系统,可发展成实时监控细胞凋亡率,以及细胞状态变化,可重复使用的新型简单实用生物传感器,有望广泛推广使用。这是电子学、生物医学交叉研究应用领域的一项重大突破。

在众多的纳米材料中,一维纳米材料一直受到相当高的关注和广泛的研究。尤其是对于磁性纳米线的磁学特性的探索和研究,已经取得了很大的进展。Stadler教授长期从事磁性纳米线的研究,报告从磁性纳米线的应用出发,介绍了磁性纳米线在高密度垂直磁记录领域、小型磁传感器、磁随机存储器以及在生物医疗的进展。围绕应用,Stadler教授结合目前科研的研究情况及现状,详细介绍了如何制备高质量磁性纳米线以及表征单一磁性纳米线自旋转矩效应两个方面内容。最后,她还与介绍了磁性纳米线在癌症治疗的最近前沿成果,引起了在场师生的浓厚兴趣,现场气氛热烈。

该工作受到超导电子学研究所吴培亨院士和各位老师的大力支持,并得到国家科技部973项目以及国家自然科学基金(创新群体、面上项目、青年基金)等的资助。

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图一:太赫兹生物传感器的传输特性曲线,太赫兹光谱系统测量生物传感器特性示意图

报告结束后,与会的各位老师和同学就自己的相关专业和兴趣点同Stadler教授进行了深入的探讨与交流。通过本次讲座,同学们对磁性纳米线的相关问题向Stadler教授进行了深入交流,并且对磁性材料与纳米线材料有了更全面的认识。

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报告人简介:

图二:太赫兹生物传感器照片

Bethanie Stadler
1990年硕士毕业于美国凯斯西储大学,1994年于麻省理工学院获得博士学位。获得国家研究委员会博士后在美国空军研究室(Air
Force Rome
Laboratory)从事研究,随后工作于明尼苏达大学电子与计算机工程学院。主要研究方向是面向自旋电子学器件、磁记录的磁光材料、光子晶体。Bethanie
Stadler致力于面向磁电子学、微流体传感器和执行器,声/振动传感器以及细胞生物标记等领域的磁纳米线研究。曾获美国国家科学基金职业奖(NSF
CAREER Award),麦克奈特总统奖(McKnight Presidential
Fellowship)。长期担任国际材料研究学会(the international Materials
Research Society)理事与秘书长,IEEE磁学协会杰出讲师(IEEE Distinguished
Lecturer)。

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图三:生物传感器谐振频率偏移与细胞凋亡率的线性关系曲线

(电子科学与工程学院 科学技术处)

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