Fysikere udvikler ultrafølsom nanomekanisk biosensor

To unge forskere, der arbejder på MIPT Laboratory of Nanooptics and Plasmonics, Dmitry Fedyanin og Yury Stebunov, har udviklet en ultrakompakt, meget følsom nanomekanisk sensor til analyse af den kemiske sammensætning af stoffer og detektering af biologiske objekter, såsom virale sygdomsmarkører, som opstår, når immunsystemet reagerer på uhelbredelige eller svære at helbrede sygdomme, herunder HIV, hepatitis, herpes, og mange andre. Sensoren vil gøre det muligt for læger at identificere tumormarkører, hvis tilstedeværelse i kroppen signalerer fremkomsten og væksten af ​​kræftsvulster.

Følsomheden af ​​den nye enhed er bedst karakteriseret ved én nøglefunktion:Ifølge dens udviklere, sensoren kan spore ændringer på blot nogle få kilodaltons i massen af ​​en cantilever i realtid. En Dalton er omtrent massen af ​​en proton eller neutron, og flere tusinde Dalton er massen af ​​individuelle proteiner og DNA-molekyler. Så den nye optiske sensor vil give mulighed for at diagnosticere sygdomme længe før de kan opdages med nogen anden metode, som vil bane vejen for en ny generation af diagnostik.

Enheden, beskrevet i en artikel publiceret i tidsskriftet Videnskabelige rapporter , er en optisk eller, mere præcist, optomekanisk chip. "Vi har fulgt fremskridtene i udviklingen af ​​mikro- og nanomekaniske biosensorer i et stykke tid nu, og kan sige, at ingen har været i stand til at introducere en enkel og skalerbar teknologi til parallel overvågning, der ville være klar til brug uden for et laboratorium. Så vores mål var ikke kun at opnå den høje følsomhed af sensoren og gøre den kompakt, men gør det også skalerbart og kompatibelt med standard mikroelektronikteknologier, " sagde forskerne.

I modsætning til lignende enheder, den nye sensor har ingen komplekse forbindelser og kan produceres gennem en standard CMOS-procesteknologi, der bruges i mikroelektronik. Sensoren har ikke et enkelt kredsløb, og dens design er meget enkelt. Den består af to dele:en fotonisk (eller plasmonisk) nanobølgeguide til at styre det optiske signal, og en cantilever hængende over bølgelederen.

En udkrager, eller stråle, er en lang og tynd strimmel af mikroskopiske dimensioner (5 mikrometer lang, 1 mikrometer bred og 90 nanometer tyk), sluttet tæt til en chip. For at få en idé om, hvordan det virker, forestil dig at trykke den ene ende af en lineal fast mod kanten af ​​et bord og lade den anden ende hænge frit i luften. Hvis du knækker den frie ende med din anden hånd, linealen vil lave mekaniske svingninger ved en bestemt frekvens. Sådan fungerer udkrageren. Forskellen mellem linealens og cantileverens svingninger er kun frekvensen, hvilket afhænger af materialerne og geometrien:mens linealen svinger med flere titus hertz, frekvensen af ​​cantileverens svingninger måles i megahertz. Med andre ord, den laver et par millioner svingninger i sekundet.

Der går to optiske signaler gennem bølgelederen under svingninger:Det første sætter cantileveren i bevægelse, og den anden giver mulighed for at læse signalet, der indeholder information om bevægelsen. Det inhomogene elektromagnetiske felt i styresignalets optiske tilstand sender et dipolmoment til udkrageren, samtidig påvirker dipolen, så udkragningen begynder at svinge.

Det sinusformet modulerede styresignal får cantileveren til at oscillere med en amplitude på op til 20 nanometer. Oscillationerne bestemmer parametrene for det andet signal, hvis udgangseffekt afhænger af cantileverens position.

De stærkt lokaliserede optiske tilstande af nanobølgeguider, som skaber en stærk elektrisk feltintensitetsgradient, er nøglen til at inducere cantilever-oscillationer. Fordi ændringerne i det elektromagnetiske felt i sådanne systemer måles i snesevis af nanometer, forskere bruger udtrykket "nanofotonik." Uden bølgelederen i nanoskala og cantileveren, chippen ville simpelthen ikke virke. En stor cantilever kan ikke fås til at svinge ved frit at sprede lys, og virkningerne af kemiske ændringer på dens overflade på oscillationsfrekvensen ville være mindre mærkbare.

Cantilever-oscillationer gør det muligt at bestemme den kemiske sammensætning af det miljø, hvor chippen er placeret. Det skyldes, at hyppigheden af ​​mekaniske vibrationer ikke kun afhænger af materialernes dimensioner og egenskaber, men også på massen af ​​det oscillerende system, som ændrer sig under en kemisk reaktion mellem cantileveren og miljøet. Ved at placere forskellige reagenser på cantileveren, forskere får det til at reagere med bestemte stoffer eller endda biologiske objekter. Hvis du placerer antistoffer mod visse vira på cantileveren, det vil fange de virale partikler i det analyserede miljø. Oscillationer vil forekomme ved en lavere eller højere amplitude afhængigt af virus eller laget af kemisk reaktive stoffer på cantileveren, og den elektromagnetiske bølge, der passerer gennem bølgelederen, vil blive spredt af cantileveren anderledes, hvilket kan ses i ændringerne i intensiteten af ​​udlæsningssignalet.

Beregninger udført af forskerne viste, at den nye sensor vil kombinere høj følsomhed med en forholdsvis let fremstilling og miniaturedimensioner, gør det muligt at bruge det i alle bærbare enheder, såsom smartphones, bærbar elektronik, osv. En chip, flere millimeter store, kan rumme flere tusinde sådanne sensorer, konfigureret til at detektere forskellige partikler eller molekyler. Prisen, takket være designets enkelhed, vil højst sandsynligt afhænge af antallet af sensorer, er meget billigere end sine konkurrenter.