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.

Оксидативный стресс организма. Иллюстрация предоставлена Ксенией Киричек
Оксидативный стресс организма. Иллюстрация предоставлена Ксенией Киричек

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.

Визуальная модель прототипа разрабатываемого хемилюминесцентного сенсора. Иллюстрация предоставлена Ксенией Киричек
Визуальная модель прототипа разрабатываемого хемилюминесцентного сенсора. Иллюстрация предоставлена Ксенией Киричек

«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.

Ксения Киричек. Фото из личного архива
Ксения Киричек. Фото из личного архива

«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.

Перейти к содержанию