生物传感:利用量子技术检测病原体

安全诊断疾病、识别耐多药细菌、在早期阶段检测开始流行或检测饮用水和食品中即使浓度最低的毒素和病原体——这些都是当前研究项目的主要挑战和目标。在这些任务中，最有希望的工具之一是经过大幅改进的新型生物传感器。弗劳恩霍夫硅酸盐研究所、IME分子生物学与应用生态学研究所和莱顿大学物理研究所的“生物传感”项目旨在借助量子技术克服现代生物传感器的局限性。

使用生物传感器可以使医疗诊断更加可靠和高效，但研究人员面临着巨大的挑战。传感器应该足够敏感，能够检测到血液或其他生物液体中哪怕是最少量的病原体。与此同时，他们应该能够实时识别即使很难诊断的疾病，以便在早期就开始有效的治疗程序。

在“生物传感”项目中，这些任务将通过基于量子效应的新型生物传感器来掌握。该项目专注于一种新型生物纳米材料，即所谓的dna稳定金属量子簇(QC-DNA)，它被用作“量子生物传感器”。在最简单的形式下，这些生物传感器由一个短的DNA序列组成，该序列包含一组被称为金属簇的6到15个金属原子。DNA序列的选择决定了传感器的特性和检测到的疾病。量子生物传感器的基本结构可以扩展为额外的特定生物分子，从而用于检测选定的生物标记物。

但是研究人员如何认识到量子生物传感器已经检测到一种特定的疾病呢?他们利用了金属簇的荧光特性。如果探测成功，金属团簇发出的光的波长就会发生变化。QC-DNA适用于生物系统中高灵敏度传感器的开发，并为先进、智能和经济的治疗提供解决方案。

但这种量子生物传感器不仅能对疾病(由细菌甚至基因组突变引起)做出反应，还能对环境条件的变化做出反应，比如盐浓度的增加。进一步的应用是可能的，如食品和饲料的监测或用于环境分析。量子生物传感器的一个显著优势是其成本效益高。

到目前为止，测试仅限于实验室，但项目合作伙伴Fraunhofer ISC、IME和荷兰莱顿大学(Leiden University)已经为自己设定了目标:设计各种各样的量子生物传感器，将其扩大到试点规模，并为大学医院的可行性研究做准备。在后续项目中，合作伙伴计划开发一种便携式读出设备，这种设备成本低廉、高度敏感、快速可靠，能够检测各种病原体、毒素或癌细胞。