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Promesa magnética de los asimientos de la nanotecnología en cáncer que lucha

Descubrir el cáncer y la reinvención de calcular son dos retos que tienen aparentemente poco, si acaso, hacer con uno a. Es decir, a menos que usted sea un nanotechnologist como el Shan Wang, profesor adjunto de la ciencia material y de la ingeniería y de la ingeniería eléctrica en Stanford. A él, los problemas son dos lados de la misma moneda, o más conveniente, enfrente de polos del mismo imán.

“Hemos sabido durante mucho tiempo que el magnetismo es una propiedad fundamental de todos los materiales y ha encontrado usos amplios en electrónica y biología, como unidades de disco duro y proyección de imagen de resonancia magnética, pero hay también gran potencial ahora de aplicar magnetismo en el nanoscale,” Wang dijo en una entrevista en su oficina en el laboratorio de Geballe para los materiales avanzados.

Allí Wang está sintonizando las características de imanes minúsculos - en la escala de un milmillonésima de un contador - para ayudar a dirigir el cáncer y las está calculando. Una porción de su grupo de investigación está desarrollando un detector ultrasensible de la DNA y de las proteínas, incluyendo las proteínas asociadas al cáncer. Con algunos de sus estudiantes, Wang también está haciendo los avances dominantes en “spintronics,” una nueva tecnología de ordenadores que podría aumentar o reemplazar microelectrónica del silicio cuando el progreso allí es no más posible debido a limitaciones físicas.

La experiencia y los resultados prometedores de Wang le han hecho a una pieza importante de dos centros de investigación anunciados este año. El 27 de febrero, el Instituto Nacional del Cáncer concedido Stanford $20 millones durante cinco años para establecer un centro de la excelencia Wang de la nanotecnología del cáncer co-dirige con profesor Sanjiv Gambhir de la radiología. Entonces el 9 de marzo, la universidad ensambló con tres campus de Universidad de California para anunciar el Western Institute de Nanoelectronics, un centro establecido jefatura en el UCLA y dedicado a la investigación del spintronics.

La especialidad de Wang en magnetismo es determinado importante en usos médicos porque un campo magnético se destaca como una bengala en el cielo nocturno en fijaciones biológicas magnético neutrales. El magnetismo se destaca más que la fluorescencia, el patrón actual para hacer señales la detección de una proteína cáncer-relacionada. Ésa los medios si un marcador del cáncer se podría hacer para accionar un cambio magnético, el resultado podría ser producción de un detector más sensible del cáncer. Con mejores detectores, los doctores podrían diagnosticar cánceres emergentes anterior y saber más pronto si un tratamiento determinado está trabajando.

Las virutas trademarked Wang del biodetection de MagArray están construyendo, cada uno sobre mitad al centímetro cuadrado, son como pocas trampas para las proteínas del objetivo o los cabos de la DNA. Las virutas son matrices ordenadas de los sensores “de la válvula ferromagnética de la barrena”, plataformas poco magnético sensibles donde convergen el magnetismo y la biología. Como el otro microarray astilla, ellas trabajan explotando un fenómeno bien-entendido llamado “biorecognition.” Los objetivos específicos, tales como proteínas o cabos de la DNA, se unirán solamente a las proteínas específicas o a los cabos complementarios de la DNA, respectivamente. Es decir uno puede coger un objetivo en una muestra de la sangre o de la biopsia si una ofrece el “cebo derecho,” o la antena.

La detección de un objetivo determinado con la viruta de MagArray primero implica el sujetar de las antenas a los sensores en la viruta. Los sensores, cada uno menos que un millonésimo de un contador ancho, se diseñan especialmente de modo que su resistencia eléctrica cambie de una manera fiable en presencia de un campo magnético determinado. La muestra entonces se bombea sobre la viruta vía un sistema de tubos “microfluidic” minúsculos. Las antenas capturan los objetivos. Entonces los nanoparticles magnético sensibles recubiertos en una substancia química que pegue al objetivo se bombean hacia adentro. En presencia de un campo magnético aplicado, los nanoparticles emiten su propio campo - la clase que fiable cambiaría la resistencia del sensor.

Cuando el nanoparticle conecta al objetivo, su proximidad cambia la resistencia del sensor. El cambio es leído eléctricamente por una computador como señal sin obstrucción de la presencia del objetivo. En un papel en los sensores y los activadores del gorrón en enero de 2006, Wang y los colaboradores publicaron los resultados de una demostración simplificada de las virutas de MagArray sin objetivos y antenas biológicos. Mostraron que el cambio en resistencia en una viruta es directamente proporcional al número de nanoparticles en los sensores de la viruta. Los colaboradores en el estudio, que fue financiado por el Defense Advanced Research Projects Agency, incluyen el estudiante doctoral anterior Guanxiong Li del blanco, de Wang de Roberto del profesor emérito de la ingeniería eléctrica, los socios de investigación Roberto Wilson y Nader Pourmand, y a profesor Shouheng Sun de Brown University.

Desde hacer esos experimentos, Wang y sus estudiantes y colaboradores actuales han hecho el trabajo adicional, hasta ahora inédito, demostrando la eficacia de la viruta con el biodetection. Wang y sus personas ahora proyectan probar para las proteínas asociadas a los cánceres del pecho y de próstata. Los investigadores apuntan producir un dispositivo del PDA que podría probar rápidamente para varias enfermedades. “Nuestro objetivo último es que si usted se está sentando en la oficina de un doctor o una sala de urgencias, proveeremos del doctor diagnósticos de primera mano en una época bien abajo de una hora,” Wang dice. “Que sería el santo grial.”

Mientras tanto, Wang ha hecho progreso importante en spintronics también. Mientras que los circuitos electrónicos mezclan los electrones alrededor basados en su carga, los circuitos spintronic encaminarían los electrones basados en su “barrena magnética,” una propiedad mecánica del quantum que se puede describir como apuntando “encima” o de “hacia abajo.” Spintronics mantiene gran promesa como un aumento o aún repuesto para la electrónica, porque las operaciones del circuito tales como transferencia (el mecanismo que produce los ceros y unos de la clave binaria) se podrían realizar más rápidamente usando menos energía.

Para hacer trabajo del spintronics en la práctica, sin embargo, a ingenieros debe construir los dispositivos de trabajo, tales como filtros a través de los cuales pueda permitir electrones con una clase de barrena sino cegar la otra clase. Los filtros más deseables funcionarían en la temperatura ambiente bastante que el enfriamiento del extremo típico de muchos dispositivos de la mecánica cuántica.

El grupo de Wang ha hecho de hecho apenas eso, aunque no todavía perfectamente. En un papel validado por las letras físicas B de la revista del gorrón, Wang y la ciencia material y dirigir al estudiante doctoral Michael G. Chapline anuncian el primer filtro de la barrena del electrón de la temperatura ambiente, que puede cegar los electrones de una barrena y permitidos a través de los electrones de la otra el más de 75 por ciento del tiempo. Idealmente, el filtro clasificación los electrones de barrenas opuestas con el virtualmente 100 por ciento de eficacia. La investigación fue financiada en parte por el National Science Foundation.

El dispositivo entero es un bocadillo de cuatro (apenas capas increíblemente finas de algunos nanómetros) de materiales exóticos seleccionados para sus propiedades magnéticas. En un extremo es una capa del óxido de hierro que emite electrones de un estado de barrena determinado. Entonces una capa de magnesio, de aluminio y de oxígeno aísla magnético esta capa de emisión de la capa más importante - la que hace real la filtración. Esa capa se hace del cobalto, del hierro y del oxígeno. Finalmente, una capa del oro conducto los electrones que la han hecho a través del filtro a un microscopio atómico de la fuerza para la detección.

Además de encontrar los materiales que aumentarán la eficacia del filtro, Wang quiere encontrar los materiales cuyas propiedades magnéticas se pueden cambiar rápidamente hacia adelante y hacia atrás para cegar diversos electrones de la barrena en diversas horas. Tal capacidad de la transferencia habilitaría el equivalente spintronic de un transistor.

“En cinco a 10 años tendremos realmente problema que mantienen la ley de Moore,” dice Wang, refiriendo a duplicar de transistores en una viruta áspero cada 18 meses que ha apuntalado la industria de la tecnología de la información. “Spintronics es una de las respuestas al reto planteado por la ley de Moore pues conseguimos hacia abajo al nanoscale.”