用光线移动水分子 纳米技术用于医药研究

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生物通报道：亚利桑那州大学的研究人员已经证实能够用光移动水分子，他们认为这个现象将会在分析化学和药物研究领域得到广泛应用。Harrington生物工程学系的Tony Garcia说，这一发现对处于起步阶段的微流体芯片技术领域将会有深远影响。

利用普通的一束光来移动水分子而不会破坏电场、移动能使蛋白质变性的气泡，或移动微机械泵零件（microscopic mechanical pump），这将显著改善微流体芯片装置的发展。

微流体芯片，又被称为“芯片上的实验室”，是用半导体集成技术制作的新型固体元件，它能够对微量流体(包括液体和气体)进行复杂、精确的操作(混合和分离微量流体、化学反应、微量分析等等)。在这种芯片上加上微泵、微闸，就可以很容易地对生物细胞、溶剂、药物等进行各种生物化学研究，也可以用它进行纳米粒子、分子结构的研究；由于它体积小、可调控参数多、调控精确度高、自动化程度高、可以集成和大量生产，在纳米科技研究和发展上有着很好的前景。可以说，微流体芯片是自上而下和自下而上研究的一个自然的结合点，也是物理、化学、生物、微电子学等学科交叉性极强的研究领域。生物通注。

“这一发现能加速微流体芯片装置的发展。仅需一滴血就可进行20—30个系列化验，医生可以在询问病人病情的过程中完成检测得到结果。这种装置也有助于制药公司在同时在极微量的规模上筛选新药，”Garcia说。

纳米技术中装置是在分子水平上设计的，由于尺寸变小，分子表面的本质特征就会变的非常重要，因为在纳米装置上大部分的分子是在表面上相互作用。能用常规方法（例如光线）操纵表面分子就显得非常重要，因为普通的工具如泵和阀很难制造成纳米级。

“我们一直研究用光来移动痕量的水，以便用于药物传递和微量分析，”Tom Picraux说。“但我们受困于水在不浸润平面上与表面之间的高度的引力。”在微观的角度上，即使很微弱的相互作用也可能有显著影响。

荷叶效应为人们所熟悉，微观上粗糙的植物叶子表面因有一层蜡质包被导致水不浸润、自洁的表面。这一点在商业上已经应用于生产“不易脏、生活防水的裤子”。

研究借助微观技术发现：水接触尖角时表面改变有一种放大效应。研究组证明，当表面用分子进行化学包被，而且在纳米级别下粗糙度很高（有很多尖角）的情况下，在光诱导下水的浸润性——就是水分子通过表面的能力——的微小改变会被显著放大。

“我们的灵感来自于认识到：如果表面在纳米级别上‘粗糙化’就可以利用荷叶效应，还可以将光线诱导的疏水性的微小变化放大到一定程度，从而克服水和表面之间的引力，避免水滴被推时运动的滞后。......我们发现了能将这种放大效应最大化的最佳表面粗糙度。”

材料表面的纳米线是微小的、高纵横比（high-aspect-ratio）、线状的的结构，由半导体和其他物质组成，通常纳米线的尺寸是直径10—100纳米，几厘米长。“我们利用纳米线生长技术的经验来改变纳米线表面，改变流体的运动和行为......当表面放大效应的基本原则弄清楚后，会有很多方法在纳米水平上改变表面的结构。”Picraux说。

研究组现在正在设计一种能够促使药物溶解到水中，或水滴以及需要进行环境或生物化学分析的样品中的装置。

另外一种潜在的应用是减少药物开发中检测使用的酶或蛋白的量。通常，制造和提纯这些候选药物是非常耗时且低效的。

利用微流体芯片装置能够降低用于检测候选药物效果的细胞、DNA或蛋白质的量，从而使得微量的候选药物能够与它的靶标混合并且记录结果。这样可以减少筛选全部药物所需的时间，也使得同时可以进行尽可能多的检测。

“这项研究首次证明可以用一束光来移动微小的水滴在表面运动，或者沿着微型通道，或者到指定的位置进行分析。而且，其它的纳米技术研究者也能根据这个方向，研究通过电场效应、溶液温度或酸度或者其他方法，来放大表面变化效应的方法，”Garcia说。

这项研究的相关文章将发表在Phisical Chemistry期刊上，题目为“Lotus Effect Amplifies Light-Induced Contace Angle Switching”  http://pubs.acs.org/journals/jpcbfk/ 。（Yang Shujuan)