Потом и кровью: чувствительность биосенсоров поднимется в разы — Naked Science
ФизТех

Потом и кровью: чувствительность биосенсоров поднимется в разы

5.5

Биосенсоры, встроенные в смартфоны, умные часы и другие гаджеты, скоро станут реальностью. Они смогут анализировать данные не только по составу крови, но и слюны, пота и слезной жидкости. Ученые МФТИ нашли способ поднять чувствительность биологических датчиков до уровня, достаточного для их применения в бытовых приборах.

Потом и кровью: чувствительность биосенсоров поднимется в разы / ©gipermed.ru

На обложке январского выпуска научного журнала Sensors анонсирована статья Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, в которой описывается найденный учеными способ поднять чувствительность биологических датчиков до уровня, достаточного для их применения в бытовых приборах.

Биосенсор — электрохимический датчик, позволяющий в реальном времени определять состав биологических жидкостей. Пожалуй, единственное на сегодняшний день массовое бытовое применение биосенсоров — приборы для моментального измерения уровня глюкозы в крови. Но футурологи обещают, что в недалеком будущем бытовые электронные приборы, анализирующие при помощи биосенсоров состав пота, слюны, глазной жидкости и других выделений, смогут идентифицировать личность, делать медицинские анализы, ставить диагнозы, непрерывно контролировать состояние здоровья и составлять оптимальный рацион питания для конкретного человека в зависимости от текущего состояния его организма.

Обложка январского выпуска научного журнала Sensors / ©Пресс-служба МФТИ

До недавнего времени всерьез говорить о подобных применениях биосенсоров не позволяла их низкая чувствительность и неподъемная для потребительского рынка стоимость. Но, похоже, в этой области намечается долгожданный прорыв: группа ученых с Физтеха предложила принципиально новую конструкцию биосенсора, обещающую повышение его чувствительности и снижение стоимости. То и другое — во много раз.

«Традиционный биосенсор состоит из кольцевого резонатора и волновода, расположенного в одной плоскости с резонатором, — рассказывает автор идеи опубликованной работы, студент магистратуры МФТИ и сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники Кирилл Воронин. — Мы решили попробовать разнести эти два элемента, поместить их в разные плоскости, расположить колечко над волноводом».

Раньше никто из исследователей не пытался так делать, потому что в лабораторных условиях гораздо проще изготовить одноуровневую плоскую конструкцию: на подложку наносят тонкую пленку, вытравливают ее и получают одновременно и кольцевой резонатор, и волновод. Двухъярусная же конструкция биосенсора оказалась более сложной для изготовления в единичных экспериментальных экземплярах, но зато более дешевой при массовом производстве на заводах микроэлектроники, где все технологические процессы ориентированы как раз на послойное размещение активных элементов. Но главное, предложенная объемная конструкция биосенсора позволяет добиться от него во много раз большей чувствительности.

Работа биосенсоров основана на том, что за счет поглощения органических молекул поверхностью датчика происходит небольшое изменение показателя преломления последней. Это изменение фиксируется с помощью резонатора, у которого условия резонанса зависят от показателя преломления внешней среды. Явление резонанса обладает тем свойством, что даже самые слабые колебания показателя преломления вызывают значительное смещение резонансных пиков. Поэтому биосенсор способен откликаться чуть ли не на каждую органическую молекулу, попадающую на поверхность датчика.

«У нас полосковый волновод расположен под резонатором, в толще диэлектрика, — объясняет один из соавторов работы Алексей Арсенин, ведущий научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ. — Резонатор же находится на границе раздела, между диэлектрической подложкой и внешней средой. Это позволяет значительно поднять его чувствительность путем подбора показателей преломления двух сред».

В предложенной учеными новой компоновке биосенсора вся его оптическая часть — источник и детектор излучения — располагается внутри диэлектрика. Снаружи же остается только чувствительная зона конструкции — золотое колечко диаметром несколько десятков микрометров и толщиной несколько десятков нанометров (смотрите рисунок).

Рисунок. Устройство биосенсора. Волновод находится внутри диэлектрика. Резонатор в виде кольцевого волновода расположен вне подложки, на границе с исследуемой биологической жидкостью. При изменении ее показателя преломления возникает смещение резонансной кривой / ©Пресс-служба МФТИ

Кирилл Воронин убежден, что созданный на Физтехе метод повышения чувствительности биосенсоров позволит вывести эту область технологий на качественно новый уровень. «Наша схема призвана существенно упростить и удешевить биосенсоры, — говорит он. — Для производства датчиков, построенных на нашем принципе, достаточно только оптической литографии. Не требуется никаких движущихся деталей, достаточно настраиваемого лазера, работающего в очень узком диапазоне». По оценке директора Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Валентина Волкова, для создания промышленного образца на основе предложенной технологии понадобится около трех лет. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 09:28
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

Вчера, 20:52
Мария Азарова

Проект назвали в честь Галилео Галилея — итальянского ученого эпохи Возрождения, который задействовал разработанный им телескоп для наблюдения за астрономическими объектами, такими как луны Юпитера, кратеры спутника Земли и кольца Сатурна. Пока программа получила финансирование в 1,75 миллиона долларов, но возглавляющий ее профессор Ави Леб надеется на большее.

Вчера, 21:44
Василий Парфенов

Винтокрылый дрон Ingenuity продолжает демонстрировать свою исключительную пользу в качестве инструмента для изучения Марса. Он совершил уже десятый полет, преодолев в сумме 1838 метров, а также разогнался до рекордной скорости и поднялся на впечатляющую высоту.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

Вчера, 09:28
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: