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Promessa magnetica delle tenute di nanotecnologia nel cancro di combattimento

La rilevazione del cancro e reinventare la computazione sono due sfide che apparentemente hanno poco, se mai, fare a vicenda. Cioè a meno che siate un nanotechnologist come lo Shan Wang, un professore associato di scienza e di assistenza tecnica dei materiali e di ingegneria elettrica a Stanford. A lui, i problemi sono più a proposito due lati della stessa moneta, o, di fronte ai poli dello stesso magnete.

“Abbiamo saputo a lungo che il magnetismo è i beni fondamentali di tutti i materiali ed ha trovato le ampie applicazioni nell'elettronica e nella biologia, come i drive del hard disk e l'imaging a risonanza magnetica, ma c'è egualmente grande potenziale ora di applicare il magnetismo al nanoscale,„ Wang ha detto in un'intervista nel suo ufficio al laboratorio di Geballe per i materiali avanzati.

Là Wang sta sintonizzando le caratteristiche dei magneti minuscoli - sul disgaggio di un bilionesimo di un metro - per contribuire ad indirizzare sia il cancro che la computazione. Una parte del suo gruppo di ricerca sta sviluppando un rivelatore ultrasensibile di DNA e di proteine, compreso le proteine connesse con cancro. Con alcuni dei suoi studenti, Wang egualmente sta facendo gli avanzamenti chiave “in spintronics,„ una nuova tecnologia di computazione che potrebbe aumentare o sostituire la microelettronica del silicio quando il progresso là non è più possibile a causa delle limitazioni fisiche.

La competenza ed i risultati di promessa di Wang gli hanno reso un membro importante di due centri di ricerca annunciati questo anno. Il 27 febbraio, l'istituto nazionale contro il cancro ricevuto a Stanford $20 milioni in cinque anni per istituire un centro di eccellenza Wang di nanotecnologia del Cancro co-dirige con il professor Sanjiv Gambhir della radiologia. Poi il 9 marzo, l'università si è unita con tre città universitarie di università di California per annunciare il Western Institute di Nanoelectronics, un centro acquartierato al UCLA e dedicato alla ricerca di spintronics.

La specialità di Wang nel magnetismo è particolarmente importante nelle applicazioni mediche perché un campo magnetico sta fuori come un chiarore nel cielo notturno nelle impostazioni biologiche magneticamente neutrali. Il magnetismo sta fuori più della fluorescenza, lo standard corrente per la segnalazione della rilevazione di una proteina in relazione con il Cancro. Quella mezzi se un indicatore del cancro potesse essere fatto per avviare un cambiamento magnetico, il risultato potrebbe essere produzione di un rivelatore più sensibile del cancro. Con i migliori rivelatori, medici potrebbero diagnosticare più presto i cancri emergenti e sapere più presto se un trattamento particolare sta funzionando.

I chip trademarked Wang di biodetection di MagArray sta costruendo, ciascuno circa il centimetro quadrato mezzo, sono come poche trappole per le proteine bersaglio o i fili del DNA. I chip sono schiere ordinate “dei sensori della valvola ferromagnetica della rotazione„, piattaforme poco magneticamente sensibili in cui il magnetismo e la biologia convergono. Come l'altro microarray scheggia, essi lavorano sfruttando un fenomeno ben recepito chiamato “biorecognition.„ Gli obiettivi specifici, quali le proteine o i fili del DNA, raggiungeranno soltanto con le proteine specifiche o i fili complementari del DNA, rispettivamente. Cioè uno può catturare un obiettivo in un campione di biopsia o di sangue se uno fornisce “l'esca giusta,„ o la sonda.

La rilevazione di un obiettivo particolare con il chip di MagArray in primo luogo comprende fissare le sonde ai sensori sul chip. I sensori, ciascuno di meno che un milionesimo di un metro ampio, sono progettati specialmente in modo che la loro resistenza elettrica cambi in un modo prevedibile in presenza di un campo magnetico particolare. Il campione poi è pompato sul chip via un sistema delle condutture “microfluidic„ minuscole. Le sonde catturano gli obiettivi. Poi le nanoparticelle magneticamente sensibili ricoperte in un prodotto chimico che salderà all'obiettivo sono pompate dentro. In presenza di un campo magnetico applicato, le nanoparticelle emettono il loro proprio campo - il genere che prevedibile cambierebbe la resistenza del sensore.

Quando la nanoparticella si collega all'obiettivo, la sua prossimità cambia la resistenza del sensore. Il cambiamento è letto elettricamente da un computer come chiaro segnale della presenza dell'obiettivo. In un documento nei sensori e negli azionatori del giornale nel gennaio 2006, Wang ed i collaboratori hanno pubblicato i risultati di una dimostrazione semplificata dei chip di MagArray senza obiettivi e sonde biologici. Hanno indicato che il cambiamento nella resistenza su un chip è direttamente proporzionale al numero delle nanoparticelle sui sensori del chip. I collaboratori sullo studio, che è stato costituito un fondo per dal Defense Advanced Research Projects Agency, includono studente di laurea Guanxiong Li di bianco, di Wang di Robert di professore emerito di ingegneria elettrica l'ex, i soci di ricerca Robert Wilson e Nader Pourmand ed il professor Shouheng Sun di Brown University.

Dal fare quegli esperimenti, Wang ed i suoi studenti e collaboratori correnti hanno fatto ulteriore lavoro, finora non pubblicato, dimostrante l'efficacia del chip con il biodetection. Wang ed il suo gruppo ora pianificazione provare a proteine connesse con il petto ed i carcinoma della prostata. I ricercatori mirano a produrre un'unità tenuta in mano che potrebbe provare rapido ad una serie di malattie. “Il nostro scopo finale è che se state sedendo in un ambulatorio o in un pronto soccorso, forniremo bene al medico i sistemi diagnostici di prima mano in un momento inferiore ad un'ora,„ Wang dice. “Che sarebbe il sacro Graal.„

Nel frattempo, Wang ha realizzato i progressi importanti in spintronics pure. Mentre i circuiti elettronici mescolano gli elettroni intorno basati sulla loro tassa, i circuiti spintronic instraderebbero gli elettroni basati sulla loro “rotazione magnetica,„ i beni meccanici di quantum che possono essere descritti come indicando “su„ o “giù.„ Spintronics tiene la grande promessa come un aumento o persino sostituzione per elettronica, perché le operazioni del circuito quale la commutazione (il meccanismo che produce gli zeri ed un del codice binario) potrebbero essere realizzate più rapidamente facendo uso di meno energia.

Per rendere a lavoro di spintronics in pratica, tuttavia, gli ingegneri deve sviluppare le unità funzionanti, quali i filtri cui può lasciare gli elettroni con un genere di rotazione tramite ma bloccare l'altro genere. I filtri più desiderabili funzionerebbero alla temperatura ambiente piuttosto del raffreddamento di estremo tipico di molte unità di meccanica quantistica.

Il gruppo di Wang effettivamente ha fatto appena quello, sebbene non ancora perfettamente. In un documento accettato dalle lettere fisiche B di rassegna del giornale, la scienza dei materiali e di Wang e costruire lo studente di laurea Michael G. Chapline annunciano il primo filtro dalla rotazione dell'elettrone di temperatura ambiente, che può bloccare gli elettroni dell'una rotazione e lasciati attraverso gli elettroni dell'altra più di 75 per cento del tempo. Nel migliore dei casi, il filtro ordinerebbe gli elettroni delle rotazioni opposte con virtualmente 100 per cento dell'efficacia. La ricerca è stata costituita un fondo per in parte dal National Science Foundation.

L'intera unità è un panino di quattro (appena livelli incredibilmente sottili di alcuni nanometri) di materiali instabili selezionati per i loro beni magnetici. Su un'estremità è un livello di ossido di ferro che emette gli elettroni di uno stato di spin particolare. Poi un livello di magnesio, di alluminio e di ossigeno isola magneticamente questo livello d'emissione dal livello più importante - quello che realmente fa la filtrazione. Quel livello è fatto di cobalto, di ferro e di ossigeno. Per concludere, un livello dell'oro conduce gli elettroni che lo hanno fatto tramite il filtro ad un microscopio atomico della forza per rilevazione.

Oltre a trovare i materiali che aumenteranno l'efficacia del filtro, Wang vuole trovare i materiali di cui i beni magnetici possono essere passati rapido avanti e indietro per bloccare gli elettroni differenti della rotazione ai tempi differenti. Una tal capacità di commutazione permetterebbe all'equivalente spintronic di un transistor.

“Durante cinque - 10 anni realmente avremo difficoltà che manteniamo la legge di Moore,„ dice Wang, riferentesi approssimativamente al raddoppiamento dei transistor su un chip ogni 18 mesi che ha sostenuto l'industria dell'informatica. “Spintronics è una delle risposte alla sfida posata dalla legge di Moore poichè scendiamo al nanoscale.„