В настоящее время существует множество хемилюминесцентных сенсоров, которые по уровню pH, белкам или другим компонентам способны на ранних стадиях определять серьезные заболевания. Но зачастую сенсоры представлены громоздкими и тяжелыми конструкциями, которые требуют участия высококвалифицированных специалистов с медицинским или химико-биологическим образованием. Кроме того, они достаточно дорогие. Минимальная цена на рынке варьируется в пределах 400 000 рублей, а максимальная стоимость может достигать миллиона рублей. Также эти сенсоры требуют весомых затрат на обслуживание и электрообеспечение.
Эти факторы делают существующие хемилюминесцентные сенсоры недоступными для большинства региональных больниц и лабораторий. Хотя именно такие установки способны выявить заболевание еще на ранних стадиях.
Свое решение в этой области предложила научная группа из Университета ИТМО, в которую вошли магистрантка факультета фотоники и оптоинформатики Ксения Киричек, аспирант Далер Дададжанов, магистрант Андрей Ермолаев и профессор факультета Тигран Вартанян, выступающий научным консультантом коллектива.
«Наша разработка будет выгодно отличаться ценой — менее 50 000 рублей за штуку, а также требует меньшего количества биологического материала для проведения анализа. В перспективе наш сенсор должен стать мобильной лабораторией, работающей даже вне специально оборудованных помещений медицинских учреждений и диагностических центров», — рассказала руководитель проекта, магистрантка программы «Физика и технология наноструктур» Ксения Киричек.
Принцип работы
Основной принцип работы прибора базируется на методе регистрации эффекта хемилюминесценции, а именно излучении света, появляющегося при протекании химических реакций.
В каналы микрофлюидного чипа хемилюминесцентного сенсора вводятся три вещества: референтный раствор (например, плазма или сыворотка крови здорового человека), хемилюминофор (вещество, способное излучать свет в результате специфических химических реакций), а также раствор аналита (например, кровь предположительно заболевшего человека). Далее специалисты регистрируют сигнал хемилюминесценции, усиленный с помощью плазмонных металлических наноструктур. После этого выгружают данные, сравнивают спектры хемилюминесценции референтного и анализируемого образцов, делают вывод: есть подозрение на болезнь или нет.
«Доступный хемилюминесцентный сенсор — это огромный шаг к успешному лечению, потому что чаще всего мы страдаем именно из-за недостаточной диагностики. Пока мы не собрали первую экспериментальную модель, сложно сказать, как будем регистрировать данные, но у нас есть два варианта: с помощью смартфона или фотоумножителем. Естественно, если проект пойдет по пути мобильной лаборатории, то стремиться будем к разработке мобильного приложени», — добавила Ксения Киричек.
Отличие от других сенсоров
Все сенсоры регистрируют сигнал хемилюминесценции, но проблема в том, что он зачастую крайне слабый. Различные приборы используют собственные хитрости, чтобы его усилить и зафиксировать. Чаще всего они стараются защитить устройство от внешних помех, что повышает конечную стоимость сенсора.
«Мы планируем усилить сигнал за счет внедрения диэлектрической подложки с осажденными серебряными наночастицами, которые поддерживают плазмонные колебания на длинах волн, совпадающих с полосами хемилюминесценции соответствующего хемилюминофора.Это позволяет существенно сократить количество исследуемого вещества, необходимого для проведения анализа», — поясняет Ксения Киричек.
Хемилюминесцентный сенсор стал логическим применением теоретического анализа плазмонных полос металлических наночастиц и разработанного в лаборатории «Фотофизики поверхности» способа защиты таких частиц от химического воздействия аналита и хемилюминофора.
«Основой проекта послужила недавняя работа Далера Рауфовича, посвященная исследованию уникальных оптических свойств серебряных наноструктур. Ранее мы разработали технологию, которая позволила улучшить устойчивость серебряных наночастиц и сделала возможным создание диэлектрической подложки, пригодной для многократного использования. После этого мы изучили рынок, чтобы определить, что сейчас востребовано и какое применение сенсора будет наиболее актуальным, потому что потенциально эта разработка может быть полезна во многих сферах медицины», — рассказала Ксения Киричек.
Проект участвовал в конкурсе на финансирование практико-ориентированных НИОКТР Университета ИТМО и выиграл материальную поддержку в размере трех миллионов рублей. Как пояснила Ксения, без этих денег создание биосенсора было бы невозможным, потому что для конструирования и закупки расходных материалов требуются значительные средства.
Сейчас проект находится на первой стадии разработки: идет подготовка и согласование документации, расчет необходимых материалов. В июле научная группа планирует перейти к непосредственной сборке прототипа, а уже через год — представить первый вариант рабочего образца хемилюминесцентного сенсора с улучшенным пределом обнаружения.
