看不见的东西：蝴蝶如何帮助科学家发现癌症

独孤一山隙

生物感应成像传感器上方蝴蝶的艺术描绘。鸣谢:伊利诺伊大学香槟分校格兰杰工程学院

（）据伊利诺伊大学格兰杰工程学院：在我们的星球上有许多比人类拥有更高级感官的生物。海龟可以感知地球磁场。螳螂虾可以检测偏振光。大象能听到比人类低得多的频率。蝴蝶可以感知更广泛的颜色，包括紫外线。

受凤蝶增强视觉系统的启发，一组研究人员开发了一种成像传感器，能够“看到”人眼无法到达的紫外线范围。该传感器的设计使用堆叠的光电二极管和钙钛矿纳米晶体(PNC ),能够对紫外范围内的不同波长进行成像。利用生物医学标记物(如氨基酸)的光谱特征，这种新的成像技术甚至能够以99%的置信度区分癌细胞和正常细胞。

这项由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校电气和计算机工程教授维克多·格鲁夫(Viktor Gruev)和生物工程教授舒明·聂(Shuming Nie)领导的新研究，最近发表在《科学进展》杂志上。

小变化

“我们从蝴蝶的视觉系统中获得了灵感，它们能够感知紫外光谱中的多个区域，并设计了一种复制这种功能的相机，”格鲁夫说。“我们通过使用新型钙钛矿纳米晶体，结合硅成像技术来实现这一点，这种新的相机技术可以检测多个紫外区域。”

紫外光是波长比可见光短(但比X射线长)的电磁辐射。我们最熟悉来自太阳的紫外线辐射及其对人类健康的危害。基于不同的波长范围，紫外光被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具有挑战性，尤其是辨别每个区域之间的微小差异。

然而，蝴蝶可以看到紫外光谱中的这些微小变化，就像人类可以看到蓝色和绿色的阴影一样。格鲁夫指出，“我很好奇它们是如何发现这些微小的变化的。紫外光难以置信地难以捕捉，它会被所有东西吸收，而蝴蝶成功地做到了这一点。”

《模仿游戏》

人类有三色视觉，有三个光感受器，感知的每种颜色都可以由红、绿、蓝组合而成。然而，蝴蝶有复眼，有六种(或更多)具有不同光谱敏感度的光感受器。特别是黄凤蝶，一种黄色的亚洲凤蝶，不仅有蓝色，绿色和红色，还有紫色，紫外线和宽带受体。此外，蝴蝶有荧光色素，使它们能够将紫外光转化为可见光，然后可以很容易地被它们的光感受器感知。这使他们能够感知周围环境中更广泛的颜色和细节。

除了光感受器数量的增加，蝴蝶还在其光感受器中表现出独特的分层结构。为了复制凤蝶的紫外感应机制，UIUC团队通过将一薄层PNC与硅光电二极管的分层阵列相结合来模拟这一过程。

PNC是一类半导体纳米晶体，表现出类似于量子点的独特属性——改变粒子的大小和组成会改变材料的吸收和发射属性。在过去的几年中，PNC已经成为不同传感应用的有趣材料，如太阳能电池和led。PNC在探测紫外(甚至更低)波长方面非常出色，而传统的硅探测器却不行。在新的成像传感器中，PNC层能够吸收紫外光子并重新发射可见(绿色)光谱的光，然后被分层的硅光电二极管检测到。对这些信号的处理允许绘制和识别紫外信号。

医疗保健及其他

癌症组织中存在各种生物医学标记物，其浓度高于健康组织中的浓度——氨基酸(蛋白质的构建模块)、蛋白质和酶。当受到紫外光激发时，这些标记物会发光，并在紫外光和部分可见光谱中发出荧光，这一过程称为自体荧光。“紫外区域的成像受到限制，我认为这是科学进步的最大障碍，”聂解释说。“现在我们已经提出了这项技术，我们可以以高灵敏度成像紫外光，还可以区分微小的波长差异。”

因为癌症和健康细胞具有不同浓度的标记物，因此具有不同的光谱特征，这两类细胞可以根据它们在紫外光谱中的荧光来区分。该团队评估了他们的成像设备区分癌症相关标记的能力，发现能够以99%的置信度区分癌症和健康细胞。

Gruev，Nie和他们的合作研究小组设想能够在手术中使用这种传感器。最大的挑战之一是知道切除多少组织以确保清晰的边缘，当外科医生切除癌性肿瘤时，这种传感器可以帮助促进决策过程。

“这种新的成像技术使我们能够区分癌细胞和健康细胞，并开辟了除健康以外的新的令人兴奋的应用，”聂说。除了蝴蝶之外，还有许多其他物种能够在紫外线中看到东西，拥有一种检测光线的方法将为生物学家提供有趣的机会，以了解更多关于这些物种的信息，例如它们的狩猎和交配习惯。将传感器带到水下也有助于更好地了解环境。虽然大量的紫外线被水吸收，但仍有足够的紫外线通过产生影响，水下有许多动物也能看到并使用紫外线。