Речь идет об оптических микрорезонаторах, которые могут стать основой для нового поколения ультрачувствительных биочипов. Эти устройства испускают свет и способны самостоятельно усиливать его в сотни раз. Кроме того, такие структуры могут быть полезны в качестве миниатюрных меток для защиты от подделок и в системах маркировки, включая микроэлектронику.
Информация в статье носит справочный характер и не заменяет консультацию врача. Перед применением рекомендаций обратитесь к специалисту.
Зачем нужны оптические микрорезонаторы
Исследователи из Университета ИТМО разработали оптические микрорезонаторы для медицинской диагностики, которые не только удерживают и усиливают свет, но и самостоятельно его генерируют. Эти миниатюрные устройства можно сравнить с круглой зеркальной камерой, в которой луч света многократно отражается от стен, что приводит к увеличению его интенсивности. Благодаря этому свойству такие «усилители» могут быть использованы для создания миниатюрных лазеров, биомедицинских датчиков и оптических меток для защиты от подделок.
Однако на данный момент микрорезонаторы не получили широкого применения, так как многие существующие образцы имеют значительные недостатки: их необходимо «активировать» мощным лазером, чтобы они могли удерживать и усиливать свет. Кроме того, часто материалы, из которых изготовлены такие устройства, не совместимы с биологическими объектами, что ограничивает их использование в медицинской диагностике.
Авторы использовали стандартные микрорезонаторы — сферы из полистирола диаметром около пяти микрометров (в десять раз тоньше человеческого волоса). На их поверхность были добавлены люминофоры (светящиеся частицы) двух типов: нанокристаллы из серебра, индия и серы, а также углеродные точки. Затем исследователи нанесли еще два слоя — полимер и золотые наночастицы. Полимер выполнял роль изолятора, предотвращая взаимодействие золота с нижележащими нанокристаллами, а золото усиливало свет, испускаемый микрорезонатором.
Ученые также разработали материал, который более чем в 10 тысяч раз повышает чувствительность рамановской спектроскопии — метода анализа состава различных смесей. Это позволит применять данный подход для выявления даже минимальных концентраций нужных молекул в сложных средах, таких как кровь, водоемы и продукты нефтепереработки.
Авторы планируют на основе проведенных исследований создать структуру типа «лаборатория на чипе» с возможностью параллельного детектирования. Также они намерены изучить устойчивость гибридных структур в жидких средах, их отклик на сложные многокомпонентные пробы и определить пределы обнаружения для различных архитектур микросфер, — рассказал руководитель проекта, заведующий лабораторией Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО Кирилл Богданов.
Перспективы создания биочипов
Данная технология открывает большие перспективы для разработки ультрачувствительных биочипов для экспресс-диагностики, отметил заведующий лабораторией фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС Вадим Ковалюк.
Следующим вызовом на пути к коммерциализации станет стабилизация архитектуры в реальных биосредах, где налипание белков и колебания pH могут искажать геометрию сфер и снижать воспроизводимость сигналов. Тем не менее, высокая гибкость предложенного метода дает основания полагать, что эти технологические барьеры будут успешно преодолены, что обеспечит прорыв в доступности ранней диагностики различных заболеваний, — добавил ученый.
Люминесцентные микрорезонаторы представляют собой перспективную платформу для диагностической медицины. Сенсоры можно интегрировать в системы жидкостной биопсии, портативные экспресс-анализаторы и лабораторные мультиплексные платформы, которые способны одновременно отслеживать несколько маркеров в одном образце, отметила ведущий эксперт рынка НТИ Хелснет Марина Чумакова.
С точки зрения конкретных заболеваний эта технология может оказаться полезной при онкологических, сердечно-сосудистых и инфекционных заболеваниях, где важны скорость и точность обнаружения антигенов или антител, — добавила специалист.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Optics and Laser Technology.
Фото: hi-tech.mail.ru
Материалы проходят проверку с учетом современных клинических рекомендаций, научных данных и практического опыта врачей. Основная задача Медколлегии — обеспечить достоверность, актуальность и понятность медицинской информации для пользователей.