对于感染性疾病，最新的纳米探针能在20分钟内检测到细菌、病毒的DNA分子，进而得出可靠的诊断结果。为什么现场诊断传染病这么难？我们可以常规性地测量体温和血压等重要的生命体征，却没有一种快捷的方法来查明大多数感染的原因。我们无法鉴定有害细菌和病毒，这让病人为此付出了高昂的代价。医生通常需要花几天左右的时间来鉴定细菌和病毒，在这几天里，病原体会进一步扩散，可能让治疗难度加大。
而那些最脆弱的病人——新生儿、老人和免疫系统虚弱的人，可能因此死亡。
即使有了先进的医学技术，这样的延误仍会发生。在非洲的小诊所，后果甚至更糟糕，因为在那里要花更多时间来获得测试结果。在这期间，疟疾病人可能会被错误地以伤寒病来处理，或者是埃博拉病人没能及时隔离。疾病检测速度很慢，这是因为感染的分子指纹藏在体内，被大量正常的蛋白和颗粒掩盖。
在一份血样中，可能仅有1000个特异性的细菌分子标记，却悬浮在数万亿的无关分子中。这需要昂贵复杂的仪器和训练有素的科学家，在专门的实验室里花费相当长的时间发现足够多的目标分子，从而拉响警报。
我们正逐渐变得更好。我们现在可以让病人等上20分钟就能在医生的办公室里发现与疾病相关的分子，而不用浪费时间把样本从病人那里送到测试机构，危及他们的生命。这都是通过纳米级的探针实现的。
这些探针是直径只有十亿分之一米的微型传感器，置于微型塑料盒里。将一滴血样滴到塑料盒中就能得到结果。探针会与少量的细菌DNA迅速发生作用，原因之一是它们的大小相似。尺寸很重要。小波浪无法撼动战舰，却能让小艇晃动明显。我们的纳米级探针会对血液样本作出响应，感知到更大的传感器可能忽视的东西，而且速度很快。
我们的系统将在2016年进入临床试验，我和同事为此感到兴奋。
这只是诸多有前途的诊断方法之一，其他研究者也利用纳米级的反应开发了类似的产品。在过去10年里，科学家已经从原子层面，优化了材料制作的方法，现在全世界的实验室都在使用这种可以精确控制材料组成的方法来设计实验设备。和之前的设备相比，现在这些设备可以更快地对具有高度特异性的反应触发物作出响应。我们都很谨慎，因为我们在实际测试中发现我们的原型产品会有缺陷。
但我们同样也希望我们的方法最终可以在需要的时候提供迅捷的服务。
捕捉病原体DNA。我的研究团队在大约十年前涉足这个领域。当时，我们正在开发既简单又对用户友好的手持式血糖（葡萄糖）监测仪，供糖尿病患者使用。基本原理是，葡萄糖分子会释放一些电子，在设备中形成了一个闭合的电路，从而产生电流。电流越大说明血糖水平越高。我们于是想知道，是否可以用同样的方式来检测血液中的细菌或病毒的DNA和RNA序列。
为了做到这点，我们需要找到一种方法来吸引和捕获可能在病人血液样本中存在的病原体DNA分子。要钓鱼，就需要诱饵。所有的DNA片段都有个很好的特性，就是可以选择性地与另一段DNA片段紧密结合，而我们可以设计并合成这段DNA。例如，我们可以创造一个序列，以此捕捉到金黄色葡萄球菌的DNA。这就是高度特异性的诱饵。
我们将诱饵分子附着在一根直径1毫米的金线上，这根金线相当于传感器，当诱饵分子与细菌DNA结合时，金线就会产生电流。（金是非常有效的材料，因为它是电流的良好导体。）
但是，因为DNA本身并不能释放出足够的电子，在金线上产生足以检测到的电流，所以我们加装了一个放大器。我们在样品中混合了金属分子钌。钌带有一个单位的正电荷，因此能吸附在带有一个负电荷的DNA上。钌会和DNA分子一起结合到传感器上。
钌-DNA的复合体很容易从金线上攫取电子，从而产生一股足以检测出的电流。在传感器表面使用不同的诱饵分子，我们就能识别来自不同细菌的DNA。坏消息是，在实际情况下，这个方法却并不奏效。当我们在样品中加入数以万亿计的细菌DNA分子时，检测效果很好。然后，我们又在接近实际情况的条件下做了测试，也就是说，样本中细菌DNA分子的水平与医生用针头取出的血液样本相当。
在这样的情况下，一份样本的细菌DNA分子通常不到1000个，甚至更少。即使我们调整了细菌DNA分子的数量，使其在样本中的数量达到百万级别，我们仍然无法检测到的电流信号。显然，我们距离成功还十分遥远。我们花费了一年的时间来探索系统里的所有变量，试图弄清楚为什么无法发现少量的细菌DNA分子。结果让人沮丧。我们想尽了所有办法，都没能使检测方法变得更灵敏。
组里的几个学生产生了放弃的想法，要求转到其他项目去。我开始怀疑自己，不知道我的研究团队是不是还能存在下去。
谢天谢地，意外发生了。2004年的一天，我们正在讨论一个不相关的项目，这个项目也使用到了金，但在尺度上要小得多。这些金线的直径仅有10纳米（一亿分之一米），仅能附着5个DNA分子。
我们为了好玩（也因为其他方法都不起作用），把以前用的毫米级别的金线换成了这些纳米线，做了一些快速粗糙的实验，想看看会发生什么。意想不到的事情发生了。当时在实验室做博士后的研究员里赫拉·加斯帕拉克（Rahela Gasparac）冲进了我的办公室，手里拽着一张纸，上面是初次测试的结果。这些纳米线的灵敏度提升了上百万倍。
有那么一会儿，我们想冲出去庆祝，回过神来我们觉得还是应该重复一下实验，于是我们转身来到实验室，想确认之前看到的是不是真实的。果然，就是这样的。我们知道我们已经找到了高灵敏度的疾病诊断方法，只需要样本中存在1000个细菌DNA分子就行。
为什么纳米线能帮助我们检测浓度这么低的DNA呢？因为它们的尺寸对形状影响很大。当尺寸降到纳米级别后，这些金属丝就有了小山一样的刺状突起。
体积较大的同类分子就不会出现这种形状，因为较大的体积让它们具有平坦光滑的表面。和聚集在平坦的、较粗的金属线上相比，分布在突起两边的诱饵分子周围有更大的空间，携带着目标分子的液体流过这些空间也更容易。这样，诱饵和目标分子也就有多得多的机会彼此接触。这些探针很不错，但是我的学生1天只能做10个。而临床应用需要数千个探针。于是，和许多科学家与工程师想要生产一大批电子器件时所做的一样，我们转而求助于硅。
硅芯片上能装电极，并且适合大规模生产。我们想利用纳米线上高约10纳米的刺状突起（这些突起可以极大地提升灵敏度），并把这种突起复制到芯片上。大约过了6个月，我们找到了一个很好的实现方法。我们使用的化学过程叫电镀。我们从较大的微米级硅开始，然后通过电镀，在硅上铺设更精细的金层。我们发现，如果不直接制作纳米线，而是制造出一种有着许多刺状突起的半球形结构，会更快、更方便。
我们把诱饵分子固定在刺状突起的两边，模仿了最初的金属线突起分散分子的功能。电镀的时机是关键。如果电镀持续一段时间，金层表面的结构就没用了；但如果我们把时间缩短，金层表面的结构刚到纳米级就停止“生长”了。
从实验室到市场。接下来的几年里，我们证实了这些检测器可用来分析细菌性传染病的标志物，而且在20分钟内就能确定病原体是否存在。
这个反馈时间很重要，因为要想让检测成功地在医生办公室里完成，测试结果就需要病人还在医院时返回。我们的方法还有另一个特征，我们称之为“多能性”（multiplexing），即一次测试多种病原体的能力。我们可以在硅芯片的表面创造多个半球结构，在每个半球上吸附不同类型的诱饵分子。这样一来，我们在芯片上滴一滴血样，就能分析多种病原体，而大多数方法一次仅能检测一种病原体的DNA。
我们最为宏大的目标就是，同时检测20种细菌，以及与5种常见的抗生素耐药性相关的DNA信号。我们能以99%的精确度发现它们。
为了将这项技术带到医生的办公室，我们成立了Xagenic公司。我是公司的首席技术官。公司应用了我们的传感器芯片。我们还发明了多种方法，将诊断需要的所有东西都装到塑料盒里。
2016年，我们会开展一些临床试验，重点是验证我们的诊断方法在检测衣原体和淋球菌时的准确性（这两种病原体都会导致性传播疾病）。20个医疗机构的医生和病人将会参与我们的临床试验。如果1期临床试验成功了，我们会向美国食品及药品管理局提交数据，申请正式推出商业化产品。
还有许多有前途的纳米技术与我们竞争。一些分析可以针对特定种类的癌症，并把准确度提到新的高度。
例如，美国西北大学的查德·A·米尔金（Chad A. Mirkin）团队开发了能与癌细胞DNA发生相互作用的金纳米球，这种纳米球甚至能在细胞恶化之前将其检测出来。塔夫斯大学的戴维·沃尔特（David Walt）发明了一个系统，可以对患者体内的疾病标志分子计数，这对癌症的诊断和监控都极其有用。然而，这些手段都是为实验室里的检测而设计的，设计初衷并不是在医生的办公室里使用。
仍然有一些技术专注于现场诊断，它们正向着主流医学的方向前进。加州理工学院的鲁斯捷姆·伊斯马吉洛夫（Rustem Ismagilov）和同事开发了一种无线设备，名为“滑动芯片”（SlipChip），不需要任何导线就能实现DNA检测。
今年早些时候，哥伦比亚大学的塞缪尔·西亚（Samuel Sia）和同事在《科学·转化医学》（Science Translational Medicine）上报道了一个接通在手机上的微型血液采样器，利用抗体信号来检测HIV。
我相信，无论是这些技术，还是我们还不知道的、完全不同的技术，最终都会完全满足日常治疗的需要。那时，在百万分之一米或是十亿分之一米尺度上的反应将极大改善患者的健康。