С точностью до молекулы
Дмитрий Федянин (справа) и Юрий Стебунов. Фото: из личного архива

Дмитрий Федянин (справа) и Юрий Стебунов. Фото: из личного архива

Российские ученые создали уникальный диагностический инструмент

Ультракомпактный сенсор, разработанный исследователями из МФТИ, поможет определить химический состав смесей и обнаружить биологические маркеры болезни, «взвешивая» единичные молекулы. Дешевые и простые в производстве, такие устройства можно будет выпускать массовыми сериями, адаптируя для быстрого определения следов присутствия вирусов и даже злокачественных опухолей.

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.

«Эта работа началась еще несколько лет назад, — рассказал "Русской планете" один из авторов работы кандидат физико-математических наук Дмитрий Федянин. — 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. В этом суть разработки, если говорить коротко».

Ключевым преимуществом такого устройства можно назвать его огромную чувствительность. По расчетам Дмитрия Федянина и Юрия Стебунова, описавших наносенсор в журнале Scientific Reports, 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, — говорит Дмитрий Федянин. — 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».

Источник: Лаборатория нанооптики и плазмоники МФТИ

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, — добавляет Дмитрий Федянин. — Он располагается под кантилевером, перпендикулярно к нему, на расстоянии от 100 до 800 нм». Изготовить такую нехитрую схему можно с помощью самой обычной для современной микроэлектроники КМОП (CMOS) технологии.

В перспективе такие наносенсоры, «настроенные» на обнаружение разных молекул, могут интегрироваться в единые полууниверсальные датчики, способные найти в выдыхаемом воздухе маркеры целого спектра заболеваний, вирусы или следы присутствия сразу многих наркотиков, в атмосфере — большой набор различных загрязнителей и т.п.

«Все определяется лишь технологическими возможностями, — продолжает Дмитрий Федянин. — Если мы разместим параллельно тысячи кантилеверов и волноводов, каждый из которых настроен на свою частоту колебаний и покрыт соответствующим веществом, то мы сможем проводить всесторонний химический анализ. Можно использовать множество таких схем, настроенных на одно и то же вещество: грубо говоря, сколько мы их расположим в датчике, во столько раз выше будет его разрешающая способность».

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.

Ледокол «Илья Муромец»: полярный богатырь Далее в рубрике Ледокол «Илья Муромец»: полярный богатырьВ русскую Арктику возвращаются универсальные ледовые корабли Военно-морского флота

Комментарии

24 августа 2015, 17:04
Молодцы ребята, значит не все еще отправились в погоню за зеленой бумажкой и это таки отлично, побольше бы таких умищ, тогда всех заборем
24 августа 2015, 17:05
Судя по фото, разработчики - достаточно молодые ребята. Сил и удачи в реализации изобретения. К сожалению, без массивного бизнес-плана с заложенным интересом чиновников ничего с места не сдвинется((
25 августа 2015, 09:13
Можем когда захотим. Однако, это изобретение не исключает всей трагичности в нашей науке.
25 августа 2015, 12:41
наука до сих пор в большом долгу перед своими детьми учеными
25 августа 2015, 11:02
Прочитал от начала до конца, но, честно говоря, мало что понял, кроме основного принципа работы, да и то в общих чертах...)
Отрадное, что есть такие люди, которые во всем этом прекрасно разбираются. Хочется пожелать им удачи в исследованиях и новых полезных открытий и изобретений!
25 августа 2015, 16:45
А человеческим языком можно объяснить, где можно использовать данное изобретение, кроме как не на экспертизе по обнаружению наркотиков в выдыхаемом воздухе?
Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Интересное в интернете
Не пропустите лучшие материалы!
Подпишитесь на «Русскую планету» в социальных сетях
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!
Станьте нашим читателем,
сделайте жизнь интереснее!
Помимо актуальной повестки дня, мы также публикуем:
аналитику, обзоры, интервью, исторические исследования.
личный кабинет
Спасибо, я уже читаю «Русскую Планету»