Линейка от герпеса

Российские ученые создали сенсор для выявления неизлечимых заболеваний на ранних стадиях

Молодые российские ученые из МФТИ создали прибор, который поможет выявлять трудноизлечимые вирусные заболевания — ВИЧ, герпес и гепатиты — на очень ранних стадиях.

Кантилевер

Кантилевер (дословно — «балка») — это длинная и тонкая полоска, неразрывно связанная с чипом. Он имеет микроскопические размеры (5 мкм в длину, 1 мкм в ширину и толщиной всего 90 нм), но принципиально поведение кантилевера не сильно отличается от свешенной с края стола и прижатой к столешнице линейки: висящий конец может совершать механические колебания на определенной частоте. Отличия между рассматриваемым кантилевером и линейкой, зажатой с одного конца, по сути дела, только в размерах и частоте механических колебаний, которая определяется материалом и геометрическими параметрами: если обычная линейка колеблется на частоте в десятки герц, то микроскопический кантилевер характеризуется уже мегагерцевой частотой. Иными словами, он совершает несколько миллионов колебаний в секунду.

Молодые исследователи из лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ Дмитрий Федянин и Юрий Стебунов разработали сверхкомпактный высокочувствительный наномеханический сенсор для анализа химического состава различных веществ и обнаружения биологических объектов, например маркеров вирусных заболеваний, появляющихся в результате отклика иммунной системы на такие неизлечимые и трудноизлечимые заболевания, как ВИЧ, гепатиты и герпес.

Кроме того, сенсор позволит обнаруживать онкомаркеры, присутствие которых в организме сигнализирует о появлении и росте раковой опухоли.

Чувствительность прибора лучше всего характеризует одна цифра: датчик способен фиксировать изменения массы кантилевера. Кантилевер — это элемент конструкции, который можно сравнить с прижатой к столу линейкой микроскопических размеров, совершающей колебания (подробнее — во врезе) — всего на несколько килодальтонов в реальном времени.

А один дальтон — это, грубо говоря, масса одного протона или нейтрона, а несколько тысяч дальтонов соответствуют массе единичных белков и молекул ДНК.

Таким образом, новый оптический сенсор позволит диагностировать болезни задолго до того, как они станут доступны для обнаружения любыми другими методами, что откроет дорогу медицинской диагностике будущего.

Устройство, которое описано в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports (импакт-фактор — 5,078), представляет собой оптический или, точнее, оптико-механический чип.

В отличие от аналогичных устройств в отечественном сенсоре отсутствуют сложные узлы и он изготавливается по стандартной технологии построения электронных схем в микроэлектронике — КМОП-техпроцессу (комплементарная структура металл — оксид — полупроводник; англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor).

Несмотря на это, в нем нет ни единой электрической цепи, а его конструкция настолько проста, что его можно разделить всего на две детали — фотонный (или плазмонный) нановолновод для управления оптическим сигналом и нависающий над этим волноводом кантилевер.

Нанофотоника

Ключевую роль в эффективной раскачке кантилевера играют высоколокализованные оптические моды нановолноводов, создающие большой градиент интенсивности электрического поля. Поскольку характерный размер изменений электромагнитного поля в таких системах исчисляется десятками нанометров, исследователи используют термин «нанофотоника» — и это тот случай, когда приставка «нано» вовсе не дань моде. Без уменьшения волновода с кантилевером до наномасштабов чип попросту бы не смог работать: большой кантилевер нельзя раскачать свободно распространяющимся светом, да и влияние химических изменений его поверхности на частоту колебаний стало бы не столь заметно.

В волноводе при этом распространяются сразу два оптических сигнала: первый приводит кантилевер в движение, а второй позволяет считывать сигнал, содержащий информацию об этом движении. Неоднородное электромагнитное поле оптической моды управляющего сигнала наводит дипольный момент на кантилевере и одновременно воздействует на этот диполь, заставляя эту своеобразную «линейку» двигаться. Синусоидально модулированный управляющий сигнал раскачивает кантилевер, и тот начинает совершать колебания с амплитудой до 20 нм. В свою очередь движущийся кантилевер воздействует на второй, считывающий, оптический сигнал, выходная мощность которого зависит от положения кантилевера.

Колебания кантилевера позволяют определять химический состав той среды, в которой находится чип. Помогает в этом то, что частота механических колебаний зависит не только от размеров и свойств материалов, но и от массы всей колебательной системы, которая меняется в случае химической реакции этого элемента конструкции со средой.

Покрывая кантилевер разными реагентами, можно добиться его избирательной реакции с определенными веществами или даже биологическими объектами.

Если на кантилевер нанести антитела к определенным вирусам, то он выловит эти вирусные частицы из анализируемой среды. Колебания с прикрепившимися к балке вирусами или просто со слоем из продуктов реакции будут происходить с меньшей (или большей) амплитудой, и электромагнитная волна, распространяющая по волноводу, станет рассеиваться кантилевером несколько иначе, что фиксируется на выходе схемы по изменению интенсивности считывающего сигнала.

Проведенные исследователями расчеты показали, что новое устройство будет сочетать высокую чувствительность со сравнительной простотой изготовления и миниатюрными размерами, позволяющими использовать его в качестве элемента любых портативных устройств, например смартфонов, носимой электроники, которые могут работать в том числе в полевых условиях.

На одном чипе размером несколько миллиметров можно будет собрать вместе множество, а именно до нескольких тысяч, подобных сенсоров, настроенных на обнаружение различных частиц или молекул. При этом благодаря простоте конструкции ожидается, что цена устройства будет слабо зависеть от количества сенсоров, что выгодно отличает его от конкурентных решений.