科學家透過「鳳蝶的眼睛」，以 99% 靈敏度區分癌細胞與健康細胞
在自然界中，許多生物展示出比人類更細膩的感官能力。例如，海龜能感知地球磁場，螳螂蝦偵測偏振光，大象聽見低頻聲波，而蝴蝶則能感知包括紫外線在內的更廣泛顏色範圍。
這些特殊能力啟發了伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校研究團隊開發一種新型成像傳感器，能“看見”紫外光。這項技術利用堆疊光電二極體和鈣鈦礦納米晶體（PNCs）來捕捉不同波長的紫外光，能夠區分癌細胞和正常細胞，準確率高達99%。該研究由電氣與計算機工程教授維克托·格魯夫（Viktor Gruev）和生物工程教授尚明·聶（Shuming Nie ）領導，成果已發表於《科學進展》期刊。
格魯夫教授指出，他們從蝴蝶的視覺系統獲得靈感，該系統能感知紫外光譜的多個區域。人類的視覺系統由三種光感受器組成，可識別紅、綠、藍色組合的顏色，而蝴蝶的複眼則包含六種以上光感受器，其中包括對紫外線和寬帶光敏感的感受器。例如，柑橘鳳蝶（Papilio xuthus）除了有藍色、綠色和紅色感受器外，另外還擁有紫色、紫外線和寬帶感受器。蝴蝶體內的螢光色素能將紫外光轉化為可見光，增強其對顏色和環境細節的感知。
特殊紫外光感應機制 分辨癌細胞生物標記物濃度差
為模擬鳳蝶的紫外光感應機制，UIUC團隊結合了PNCs和層狀矽光電二極體。PNCs是半導體納米晶體，具有量子點般的獨特性質，其大小和組成的改變會影響其吸收和發射特性。在新型傳感器中，PNC層吸收紫外光子並重新發射為可見光，隨後被矽光電二極體探測。
這項技術在醫療保健領域具有重大意義，特別是在癌症診斷和手術中。由於癌症組織含有多種生物醫學標記，其「濃度通常超過正常細胞中的胺基酸、蛋白質和酵素」。在紫外光的激發下，這些標記會產生發光現象，並在紫外光和部分可見光譜範圍內發出螢光，使得新同感應器能以高達99%的信心區分它們。格魯夫、聶及其團隊希望這種感應器未來能在手術中應用，幫助外科醫生更精確地判斷並切除癌性組織，從而提高手術效果和安全性。
聶教授強調，這種新的成像技術不僅能區分癌細胞和健康細胞，還開啟了超越醫療領域的新穎應用。例如，它可以幫助生物學家更好地理解一些能看見紫外光的物種的獵食和交配習性。此外，將傳感器置於水下，可以幫助深入了解水下生態，因為許多水下動物能看見並利用紫外光。這項技術的發展不僅是科技創新的代表，也體現了從自然界中獲得靈感的重要性，展示了科學與自然的和諧結合。
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圖片來源：University of Illinois Urbana-Champaign ccBY4.0
參考論文:
Bioinspired, vertically stacked, and perovskite nanocrystal–enhanced CMOS imaging sensors for resolving UV spectral signaturesScience Advances
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