探索生物分子世界的智能生物传感器

生物分子这个微小的世界充满了各种不同媒介之间令人着迷的相互作用，比如复杂的纳米机器(蛋白质)、可变形的血管(脂质复合体)、重要信息链(DNA)和能源燃料(碳水化合物)。然而，生物分子相遇和相互作用来定义生命交响乐的方式是极其复杂的。

EPFL工程学院的生物光子系统实验室的科学家们现在开发了一种新的生物传感器，可以用来观察纳米世界的所有主要生物分子类别，而不会干扰它们。他们的创新技术纳米技术metasurfaces,红外线和人工智能．

每个分子都有自己的旋律

在这个纳米大小的交响乐中，完美的编曲使视觉和味觉等生理奇迹成为可能，而轻微的不协调可以放大成可怕的不和谐声音，导致癌症和神经退化等病理。生物光子系统实验室的负责人Hatice Altug说:“进入这个微小的世界，能够在不干扰它们相互作用的情况下区分蛋白质、脂质、核酸和碳水化合物，这对理解生命过程和疾病机制至关重要。”

光，尤其是红外光，是Altug团队开发的生物传感器的核心。人类看不到红外光，红外光在可见光谱范围从蓝色到红色之外。然而，当我们的分子在红外光激发下振动时，我们可以在体内以热的形式感受到它。

分子由相互连接的原子组成——取决于原子的质量、原子键的排列和硬度——以特定的频率振动。这类似于乐器上的弦，它根据长度以特定的频率振动。这些共振频率是分子特有的，它们大多发生在电磁波谱的红外频率范围内。

“如果你想象音频频率而不是红外频率，就好像每个分子都有自己的特征旋律，”Aurélian John-Herpin说，他是Altug实验室的博士助理，也是该出版物的第一作者。“然而，调到这些旋律是非常具有挑战性的，因为如果没有放大，它们只是一片声音海洋中的低语。”更糟糕的是，它们的旋律会呈现出非常相似的主题，很难将它们区分开来。”

超表面和人工智能

科学家们利用超表面和人工智能解决了这两个问题。Metasurfaces是人为的材料在纳米尺度上具有出色的光操作能力，从而使功能超越其他在自然界中看到的。在这里，他们精确设计的由金纳米棒制成的元原子就像光物质相互作用的放大器，通过利用金属中自由电子集体振荡产生的等离子激发。“在我们的类比中，这些增强的相互作用使耳语分子旋律更容易被听到，”John-Herpin说。

AI是一个功能强大的工具，可以用更多的数据馈送，而不是人类可以在相同的时间内处理，并且可以快速发展从数据识别复杂模式的能力。John-Herpin解释说：“AI可以被想象成一个完整的初学者音乐家，倾听不同的放大旋律，并在几分钟后发挥完美的耳朵，即使它们在乐队中在一起相同播放时也可以分开旋律。同时拥有许多仪器。“

这是第一个生物传感器

当科学家的红外超表面与人工智能增强，新的传感器可以用于分析生物分析，具有多种分析物同时从主要的生物分子类和解决他们的动态交互作用。Altug说:“我们特别关注基于脂质囊泡的纳米颗粒，并通过插入毒素肽和随后的囊泡核甘酸和碳水化合物的释放，以及在超表面形成支撑的脂质双层斑块，来监测它们的断裂。”

这款开创性的人工智能驱动超表面技术生物传感器将为研究和解开内在复杂的生物过程打开令人兴奋的前景，例如通过外泌体的细胞间通信，以及基因调控和神经退行性变中的核酸和碳水化合物与蛋白质的相互作用。“我们设想我们的技术将在生物学、生物分析学和药理学领域得到应用——从基础研究、疾病诊断到药物开发，”Altug说。

这项研究已经发表在先进材料．