123

Российские ученые создали уникальный диагностический инструмент

Ультракомпактный сенсор (наносенсор), разработанный в МФТИ, определяет химический состав смесей и обнаруживает биологические маркеры болезни, «взвешивая» единичные молекулы.

нанотехнологииДешевые и простые в производстве, такие устройства можно будет выпускать массовыми сериями, для быстрого определения следов присутствия вирусов и даже злокачественных опухолей.

Как работает прибор.

Ключевой деталью наносенсора является кантилевер 5 мкм в длину, 1 мкм в ширину и 0,1 мкм в толщину. Это своего рода микроскопическая «балка», закрепленная одним концом и способная колебаться примерно так, как трамплин для прыжков в воду, только с гораздо большей частотой, совершая много тысяч колебаний в секунду. С помощью волновода на кантилевер подаются два оптических сигнала. Один из них заставляет его раскачиваться с амплитудой до 20 нм, а второй позволяет регистрировать эту быструю вибрацию.

Частота колебаний зависит от формы колеблющегося кантилевера, а также от его массы. Остается покрыть его нужными реагентами, способными связывать те или иные химические вещества и молекулы, — например, антителами к оболочкам вирусов или белками, способными вылавливать онкомаркеры. Масса кантилевера изменится, и это изменение будет влиять на мощность считывающего оптического сигнала.

В интервью изданию «Русская планета» один из авторов работы кандидат физико-математических наук Дмитрий Федянин рассказал, что работу над созданием наносенсора начали несколько лет назад.

«Изначально мы работали над созданием оптомеханического модулятора: подавая напряжение на кантилевер, старались добиться того, чтобы он определенным нужным образом менял характеристики оптического сигнала, который распространялся по расположенному вблизи кантилевера волноводу. Однако затем мы обратили внимание, что эта схема — кантилевер, подвешенный над нанофотонным или плазмонным волноводом, — способна замечательно работать в качестве биосенсора. Такое устройство способно идентифицировать единичные молекулы массой несколько килодальтон. Если нанести на поверхность кантилевера соответствующие вещества, это позволит обнаруживать отдельные молекулы ДНК, РНК, белки, а также маркеры различных заболеваний», — объясняет ученый.


Уникальность прибора.

Ключевым преимуществом такого устройства можно назвать его огромную чувствительность. По расчетам Дмитрия Федянина и Юрия Стебунова кантилевер способен замечать изменения в массе величиной в несколько тысяч дальтон. Дальтон соответствует массе одного атома углерода, а массу в килодальтоны имеют, например, некоторые небольшие белки.

«По волноводу распространяются два сигнала, управляющий и считывающий. Если масса кантилевера меняется, то меняется его собственная частота колебаний, а считывающий сигнал позволяет это изменение заметить и детектировать «прилипшую» на кантилевер молекулу. Чувствительность такой схемы значительно выше, чем у существующих аналогичных оптомеханических сенсоров, а кроме того, датчик оказывается интегрирован на кристалле, что позволяет производить их в больших количествах», — рассказывает Дмитрий Федянин.

Действительно, предложенная российскими учеными оптомеханическая система исключительно компактна и проста в производстве. У датчика не имеется никаких сложных узлов — только кантилевер и волновод.

«Нанофотонный волновод — это, условно говоря, «брусок» из диэлектрика, например, кремния или нитрида кремния размерами в сечении около 500 х 300 нм, Он располагается под кантилевером, перпендикулярно к нему, на расстоянии от 100 до 800 нм», — пояняет Дмитрий Федянин, объясняя почему изготовить такую нехитрую схему можно с помощью самой обычной для современной микроэлектроники КМОП (CMOS) технологии.


Перспективы использования прибора.

Что касается коммерциализации, то это задача не сегодняшнего дня. По словам Федянина, свою первую задачу он и его коллеги из лаборатории нанооптики и плазмоники видят все-таки в проведении фундаментальных и прикладных исследований. В этом направлении они активно сотрудничают с технологами Центра коллективного пользования МФТИ. В настоящее время уже идут работы по изготовлению и оптимизации предложенной учеными схемы.

«Если взглянуть на то, что происходит в мире в области разработки механических детекторов биомолекул, то их главной проблемой остается повышенная сложность, — рассказал Дмитрий Федянин. — Даже если это довольно миниатюрные сенсоры, то они могут требовать для работы огромных магнитных полей. Или в них используется кантилевер, на который приходится наносить наноразмерные структуры, что тоже совсем не просто… Можно вспомнить и другие чисто лабораторные идеи, реализовать которые удается лишь в штучных количествах и в особых лабораторных условиях».

В отличие от них, система ученых из МФТИ исключительно проста и по устройству, и в производстве. Она интегрирована на одном кристалле и может быть изготовлена в ходе одного хорошо отработанного процесса, которым изготавливают практически все современные микросхемы. Все это дает серьезные надежды на то, что крошечный сенсор ждет большое будущее.