Потом и кровью: чувствительность биосенсоров поднимется в разы — Naked Science
9 минут
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.
Позавчера, 16:32
9 минут
ТюмГУ

Ученые ТюмГУ и Вестфальского университета имени Вильгельма (Германия) в ходе проведенных совместно исследований зафиксировали устойчивую тенденцию замены лишайников на мхи и кустарники на выгоревших в пожарах участках тундры Западной Сибири. Это приводит к увеличению объемов поглощения углекислого газа в процессе фотосинтеза на выгоревшей территории. И теперь вопрос в том, в какую сторону и насколько смещается баланс углеродного обмена — в сторону связывания (что уменьшает парниковый эффект) или в сторону увлечения выброса (что усиливает этот эффект). Такие процессы необходимо изучать для прогнозирования трансформации углерода в воздухе на северных территориях России.

Вчера, 11:15
2 минуты
Илья Ведмеденко

Российские специалисты из Фонда перспективных исследований приступили к разработке летающего автомобиля «Циклокар». Предполагается, что он сможет вмещать шесть человек.

11 часов назад
5 минут
Ольга Иванова

По крайней мере, если речь идет о пожилых людях. К такому выводу пришли ученые из Канады.

13 апреля
5 минут
Илья Ведмеденко

Согласно представленным данным, строительству российской орбитальной станции дали зеленый свет. Практическая реализация программы должна начаться вскоре.

13 апреля
5 минут
Ольга Иванова

Ученые из Австралии узнали, на протяжении какого периода времени сохраняется эффект эйфории после употребления марихуаны. Это необходимо, например, для более эффективного применения лекарств на основе каннабиса или понимания того, сколько времени необходимо, чтобы сесть за руль.

Позавчера, 18:38
14 минут
Василий Парфенов

Новое масштабное журналистское расследование собрало воедино самые вопиющие факты коррупции, махинаций с официальной статистикой и игнорирования пандемии на государственном уровне.

17 марта
12 минут
Василий Парфенов

Продолжавшееся более пяти лет уголовное дело подошло к завершению: серийного сетевого сексуального маньяка осудили на 75 лет тюремного заключения. Чтобы поймать человека, растлившего 375 несовершеннолетних девушек, потребовалось пойти на беспрецедентные и этически спорные меры: создать вредоносное ПО и подсунуть злоумышленнику видеоловушку со встроенным вирусом.

25 марта
36 минут
Александр Березин

Улыбающийся мультимиллиардер планирует понять, насколько эффективно мел в стратосфере защищает планету от солнечного света, и если результат хорош, распылить его там в гигантских количествах. Потенциально это результативная задумка: ученые давно показали, что так можно добиться полного покрытия Земли устойчивыми льдами — вплоть до экватора. Увы, идея Гейтса — плагиат, причем не лучший. Советский исследователь предложил похожее полвека назад с более эффективной серой. Интереснее другое: подобные мероприятия один раз едва не уничтожили человечество. Разбираемся в деталях, а также в том, грозит ли нам повторение.

31 марта
51 минута
Александр Березин

Самый зловещий оружейный проект всех времен и народов — термоядерная торпеда, предназначенная для радиационного поражения огромных площадей и создания искусственного цунами. Никогда до этого ни одна страна даже не заявляла о намерении сделать нечто настолько опасное для живых существ. Поэтому российский проект «Посейдон», обещающий именно это, вызывает бурю эмоций. Однако тщательный технический анализ показывает: в реальности он будет совсем не таким, как об этом пишут в СМИ. Даже если он предназначен для радиационного поражения обширных площадей, оно не будет долгим. А уже через год «омытые» им районы будут абсолютно безопасны. Тем не менее новая система действительно изменит стратегический баланс на планете — но не так, как все думают. Попробуем разобраться в ситуации подробнее.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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: