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!
Пример свободно колеблющейся и закрепленной с одного конца балки — камертон. Частота колебаний зависит от размеров камертона и свойств материала.
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.
Что такое оптическая мода? Световые волны, распространяясь в ограниченном зеркалами пространстве, накладываются друг на друга и в результате заполняют его неравномерно, формируют участки с большей и меньшей интенсивностью. Такие распределения интенсивности и называют модами. На картинке для наглядности показан не наноразмерный волновод, а оптический резонатор, часть лазера вполне обычных размеров.
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. Пресс-служба МФТИ благодарит Алексея Арсенина за неоценимую помощь в подготовке материала.
