Устройство представляет собой серебряную нанопленку с множеством регулярных микроотверстий, нанесенную на прозрачную подложку из природного минерала флюорита. На пленку помещают образец биоматериала, например, соскоб со слизистой оболочки носа. Затем поверхность с биоматериалом просвечивают инфракрасным светом в стандартном лабораторном приборе — инфракрасном спектрометре. По спектру света, прошедшего сквозь образец, уже судят о наличии в нем бактерий или вирусов. В работе ученые использовали бактерию золотистого стафилококка для того, чтобы показать, что с помощью нового биосенсора можно моментально обнаруживать патогенные микроорганизмы.
Такой метод экспресс-анализа имеет потенциал для использования в узлах транспортного сообщения, где требуется непрерывный мониторинг состояния здоровья большого количества людей. Сейчас для этих целей устанавливают тепловизоры, которые следят за температурой пассажиров. Если прибор показывает, что у пассажира повышена температура, значит, обнаружен потенциальный источник инфекции. В этом случае нужен уточняющий анализ, который подскажет, действительно ли пассажир болен и чем именно. Анализ биоматериала на бактерии и вирусы с помощью существующих методов, таких как ПЦР, займет несколько дней. В то время как новая методика, разработанная учеными, позволяет получать результаты сразу.
В разработке биосенсора приняли участие ученые из Университета ИТМО, Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) и Московского физико-технического института (МФТИ). Исследование проводилось в тесном сотрудничестве с Инфекционной клинической больницей № 2 в Москве.
Еще одно преимущество нового биосенсора в его чувствительности.
«Оптические биосенсоры, сделанные по нашей технологии, могут обнаруживать даже очень малые количества бактерий, — рассказывает Сергей Кудряшов, ведущий научный сотрудник кафедры лазерных технологий и лазерной техники Университета ИТМО и лаборатории газовых лазеров ФИАН. — Так, ранняя высокочувствительная диагностика инфекционных заболеваний в детских садах, школах и университетах, особенно в периоды сезонных эпидемий, позволит свести лечение к профилактике. Врачам в инфекционных больницах данная методика поможет более оперативно ставить диагноз пациентам».
Высокая чувствительность новой платформы обусловлена решетчатым строением серебряного слоя. Когда инфракрасные волны проходят через биосенсор, падающий свет перераспределяется на его поверхности. Микроотверстия превращаются в так называемые «горячие точки» — зоны с самой высокой интенсивностью света. Биоматериал заполняет отверстия, и бактерии целиком попадают в эти зоны. Бактерии активнее поглощают свет в «горячих точках», что увеличивает вероятность обнаружить патогены.
Миллионы микроскопических отверстий в пленке ученым удалось вырезать с помощью высокотехнологичного лазера, излучающего миллионы импульсов в секунду. Каждый импульс может создать не одно микроотверстие, а даже несколько десятков в том случае, если будет разделен на множество независимых микропучков с помощью дифракционного оптического элемента. Благодаря использованию такого лазера специалистам удалось автоматизировать и заметно ускорить процесс создания серебряной решетки.
«До сих пор подобные сенсоры можно было рассмотреть только при большом увеличении в электронный микроскоп, поэтому о реальном лабораторном анализе не могло быть и речи. Наш же метод позволяет усыпать микроотверстиями гораздо большую площадь поверхности — до 1 квадратного сантиметра — и сделать такой сенсор, чтобы на него можно было без труда поместить биоматериал», — отмечает Сергей Кудряшов.
Методы оптического биосенсорного анализа не новы, однако до сих пор слабо внедрены. Это связано с тем, что прежние технологии не позволяли делать реальные прототипы устройств, которые можно было бы тестировать в лабораторной и клинической практике. Поэтому исследователи столкнулись с еще одной масштабной задачей, которую необходимо решить до внедрения новой платформы в обиход. Это создание справочных баз данных, с которыми можно было бы сравнить показания инфракрасного спектрометра.
Показания спектрометров всегда сравнивают с библиотекой сигналов, так называемых инфракрасных спектров, характерных для определенных групп молекул. Любой микроорганизм можно обнаружить по оптической активности его специфических компонентов. Например, золотистого стафилококка выдают каротиноиды — производные того самого каротина, который окрашивает морковь в оранжевый цвет.
Исследователи надеются, что в будущем новая платформа найдет широкое практическое применение благодаря дешевизне и быстроте изготовления сенсоров, а также использованию более распространенных материалов для подложек. Кроме того, откалибровав библиотеки спектров, ученые планируют определять не только тип бактерии или вируса, но и их количество.
Статья: Tatiana V. Baikova, Pavel A. Danilov, Sergey A. Gonchukov, Valery M. Yermachenko, Andrey A. Ionin, Roman A. Khmelnitskii, Sergey I. Kudryashov, Trang T. H. Nguyen, Andrey A. Rudenko, Irina N. Saraeva, Tatiana S. Svistunova, and Dmitry A. Zayarny, Diffraction microgratings as a novel optical biosensing platform, Laser Physics Letters, 2016.
