Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Физики МФТИ разработали сверхчувствительный наномеханический биосенсор

Ключевые слова:  Анализ химического состава веществ, Исследования, МФТИ, Наномеханический сенсор, Разработка

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

05 июля 2015

Молодые исследователи из лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ Дмитрий Федянин и Юрий Стебунов разработали сверхкомпактный высокочувствительный наномеханический сенсор для анализа химического состава различных веществ. Их разработка также способна обнаруживать биологические объекты: например, маркеры вирусных заболеваний, появляющихся в результате отклика иммунной системы на такие неизлечимые и трудноизлечимые заболевания, как СПИД, гепатиты, герпес и многие другие.

Предложенный сенсор позволит обнаруживать онкомаркеры, присутствие которых в организме сигнализирует о появлении и росте раковой опухоли. Чувствительность прибора лучше всего характеризует одна цифра: по оценкам авторов, датчик способен фиксировать в реальном времени появление частиц массой всего в несколько килодальтон. Один дальтон это, грубо говоря, масса одного протона или нейтрона, а несколько тысяч дальтон соответствуют массе единичных молекул белков или ДНК. Таким образом, новый 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, представляет собой оптический, или, точнее, оптомеханический чип. «Мы давно следим за прогрессом в области микро- и наномеханических биосенсоров, но до сих пор еще не было создано простой и масштабируемой технологии для параллельного мониторинга, готовой к работе вне лабораторных условий, поэтому нашей целью была не только высокая чувствительность и компактность сенсора, но также масштабируемость и совместимость со стандартными технологиями микроэлектроники», объясняют исследователи.

В отличие от аналогичных устройств, в предложенном сенсоре отсутствуют сложные узлы, и он изготавливается в стандартном КМОП-техпроцессе, используемом в микроэлектронике. Несмотря на это, в сенсоре нет ни единой электрической цепи, а конструкция сенсора настолько проста, что его можно разделить всего на две детали: фотонный (или плазмонный) нановолновод для управления оптическим сигналом и нависающий над этим волноводом кантилевер.

Кантилевер (дословно «балка») это длинная и тонкая полоска, неразрывно связанная с чипом. Он имеет микроскопические размеры (5 микрометров 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!

В проходящем под кантиливером волноводе распространяются сразу два оптических сигнала: первый приводит кантилевер в движение, а второй позволяет считывать информацию об этом движении. Неоднородное электромагнитное поле управляющего сигнала наводит дипольный момент (или, говоря проще, заставляет положительные и отрицательные заряды расходится в разные стороны; комбинацию двух зарядов на некотором расстоянии друг от друга называют диполем) на кантилевере и одновременно воздействует на этот диполь, заставляя кантилевер двигаться.

Синусоидальный управляющий сигнал раскачивает кантилевер, и тот начинает совершать колебания с амплитудой до 20 нанометров. В свою очередь, движущийся кантилевер воздействует на второй, считывающий, оптический сигнал, выходная мощность которого зависит от положения кантилевера.

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 не смог бы работать большой кантилевер нельзя раскачать свободно распространяющимся светом, да и влияние химических изменений его поверхности на частоту колебаний стало бы не столь заметно.

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 кантилевера 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 и др.), которые могут работать, в том числе, в полевых условиях. На одном чипе размером в 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.

Работа финансировалась из средств, полученных в рамках проектной части государственного задания Минобрнауки РФ № 16.19.2014/К.

P.S. Прочитать оригинальную статью исследователей можно в журнале Scientific Reports.


Источник: МФТИ




Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Крупа
Крупа

Конкурс «Элементы и Люди» в честь Международного года Периодической таблицы химических элементов
РХТУ им. Д.И. Менделеева, Российское химическое общество имени Д.И. Менделеева, МГУ имени М.В. Ломоносова приглашают к участию в конкурсе, посвященном 150-летнему юбилею Периодической таблицы химических элементов Менделеева. Участвовать могут школьники, студенты, молодые ученые и специалисты.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Нитрид-борные нанокомпозиты для доставки лекарств. 2D наноматериалы помогут создать портативную искусственную почку. Обзор по cтрейнтронике. Доставка лекарств с помощью борнитридных фуллеренов. Речные фуллерены. Научный хит-парад 2018 по версии APS

Лекция Константина Севернинова: от бактериального иммунитета к геномному редактированию
20 декабря состоялась лекция молекулярного биолога, профессора Константина Северинова.
На лекции обсуждались вопросы: какова природа генетических болезней, и сможем ли мы лечить их в ближайшем будущем; что такое система CRISPR-Cas, и как бактерии используют её для борьбы с вирусами, и как изучение этого необычного механизма привело к созданию мощного инструмента геномного редактирования.

Почувствовать живое...
Е.А.Гудилин, А.А.Семенова, Н.А.Браже
Неразрушающее исследование живых клеток и клеточных структур является в настоящее время важным направлением научных изысканий, которые во многих зарубежных и российских научных группах направлены на достижение вполне прагматической цели – разработку новых принципов биомедицинской диагностики и эффективных подходов в нарождающейся персональной медицине.

Российская газета: Перевернуть пирамиду. Президент РАН: как повысить наши шансы на Нобеля
Юрий Медведев
Почему Россия по числу Нобелей отстает от ведущих стран мира, уступая, например, даже маленькой Швейцарии? Замалчиваются ли достижения отечественных ученых? Почему без привлечения в науку российского бизнеса мы не сможем успешно конкурировать в борьбе за престижную научную премию? Об этом корреспондент "РГ" беседует с президентом РАН Александром Сергеевым, который побывал в Стокгольме на вручении Нобелевских премий и поделился своими впечатлениями.

Эффект лотоса
Никельшпарг Эвелина Ильинична
Кратко и поэтично об одном из самых известных эффектов, который так любят школьники и участники наноолимпиады - об эффекте лотоса...

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.