9、廉價診斷試紙

　　對埃博拉、肺結核等疾病的廉價快速的篩查方法，可以挽救偏遠貧窮地區病人的生命。

　　一個發著高燒的病人來到了非洲農村的一家診所。診斷結果可能是從輕度傷寒到埃博拉的任何一種疾病。即使這家診所有驗血設施，也需要幾天時間才能獲得結果。那么醫生該怎么辦呢？是開抗生素處方還是要求隔離病人？

　　過去十年里，研究人員一直在尋找一種快捷、廉價的試紙診斷方法（類似驗孕棒或驗孕試紙），以便在這種場合拯救生命。非營利機構Diagnostics For All正在等待監管機構批準他們在非洲使用肝功能血檢測試。比爾及梅琳達·蓋茨基金會資助的高智發明（Intellectual Ventures，位于美國華盛頓州），正在研究超敏感瘧疾測試和結核診斷尿檢工具。華盛頓大學的生物工程教授保羅·耶格爾（Paul Yager）也在研發一套檢測血液中埃博拉病毒蛋白的工具。這些測試只需要幾美元，使用前也都不需要特殊訓練。

　　這些診斷工具的核心是試紙，上面蝕刻或覆蓋了可以分離、濃縮和混合液體的結構。紙本身就可以吸收血液和尿樣等液體，所以樣本可以不依賴外力就流過檢測設備。試紙上的結構可以引導液體稀釋，并發生識別病原體或疾病標記物所需的化學反應。例如，Diagnostics For All的肝功能檢測試紙就包括了一個過濾裝置，可以把血紅細胞篩掉，讓血漿流到試紙底層，那里有一種試劑，可以和肝損傷的一種標志性酶結合。試紙顏色的改變可以顯示病人的酶水平。

　　第一代診斷試紙一般只能發現入侵物產生的分子或致病微生物，從而檢測疾病。但接下來有可能出現直接檢測病原體DNA的診斷工具。這些工具叫核酸測試，可以讓醫生在疾病最早期就能準確地診斷出疾病。耶格爾和哈佛大學的化學教授喬治·懷特賽茲（George Whitesides）等研究者正各自獨立研究核酸試紙。耶格爾正在研發家用的寨卡病毒核酸試紙，也在申請研究經費，用來研發快速廉價的寨卡、登革熱和黃熱病檢測技術。

　　研究人員仍然有技術難題需要克服，但他們表示最大的障礙來自資金。制藥公司覺得廉價的檢測設備沒有利潤，所以大部分資金來自政府和私人基金。懷特賽茲說：“我們和其他人的研究都表明這項技術有用。但能否克服商業化的最后障礙，還有很多不確定因素。”

　　10、用超級原子制造超級分子

　　新方法能夠設計出超越元素周期表限制的原子、分子和有用材料。

　　元素周期表中看上去有許多元素，但對于化學家和材料科學家來說還不夠多。要設計具備某種非同尋常的特性的合成材料，比如設計像木頭一樣可降解的硅類半導體，大自然的配方往往存在局限。哥倫比亞大學化學系教授柯林·納科爾斯（Colin Nuckolls）表示：“很多時候，你想要的是一種并不存在的原子。”用所謂“超級原子”組成的超級分子可以滿足這個需要。超級原子是行為如同單個原子的原子團，研究者可以設法使其具備特別的電磁特性，這是元素的自然組合很難或不可能獲得的性質。雖然化學家早在幾十年前就知道如何構建超級原子，但一直找不到一種可靠的方法將它們連接成更大型的結構。

　　現在，納科爾斯的研究團隊發現了一種方法，可以用超級原子來制造“設計分子”。這些合成結構能夠模擬天然分子的特性，同時材料科學家可以對這些特性進行“微調”，以達到某些特殊的目標。納科爾斯表示：“你可以很容易地改變由超級原子構成的分子的化學性質或磁性，而單憑原子結構是做不到這一點的。這就像給元素周期表增加了一個維度。”

　　1984年，加利福尼亞大學伯克利分校的沃爾特·奈特（Walter Knight）和同事通過合成鈉原子團發現了超級原子，鈉原子團的外層電子與單個原子的外層電子性質相似，這種超級原子的磁性和反應活性都更強了。從那時開始，科學家已經用鋁、鉑、銣等元素制造出了超級原子團。但是要想把超級原子組合成更大的分子，科學家還需要摸清這些超級原子要遵循的特殊化學定律，這些定律和元素周期表中的元素所遵循的定律并不相同。

　　原子核周圍的電子會優先占據低能級，再占據高能級，這一排布規律被稱為構造（Aufbau）原理。（Aufbau在德語中意為“建造”，該原理由尼爾斯·玻爾首先提出，并由沃爾夫岡·泡利加以擴展，這兩位都是量子力學的先驅。）在研究生阿努克·尚索爾（Anouck Champsaur）最初發現的基礎上，納科爾斯團隊總結出了與構造原理類似的規律，根據該規律，他們可以將超級原子合成為分子。

　　到目前為止，該團隊已經制造出了由兩個或三個鈷-硒超級原子組成的分子。但尚索爾和納科爾斯認為，利用超級原子的構建原理，他們還可以合成更為特殊的材料，這類材料有潛力應用在柔性傳感器、智能衣服和高能效電池等領域。我們不需要更新化學課本上的元素周期表，納科爾斯說：“我們不是搞煉金術。”但他也表示，由超級原子制成的分子“可以讓我們的收獲比自然界給予的更多。”