Сфера сияния: светящиеся биочипы выявят болезни по следам молекул

Ученые Университета ИТМО разработали устройства, которые в перспективе позволят быстро выявлять в одном образце крови биомаркеры сразу нескольких заболеваний — от онкологических и сердечно-сосудистых до инфекционных, причем смогут обнаружить даже крайне малые концентрации нужных молекул. Речь об оптических микрорезонаторах, которые могут стать основой для нового поколения ультрачувствительных биочипов. Они испускают свет и самостоятельно усиливают его в сотни раз. Помимо прочего подобные структуры будут полезны в качестве миниатюрных меток для защиты от подделок и систем маркировки, в том числе для нужд микроэлектроники.

Зачем нужны оптические микрорезонаторы

Исследователи из Университета ИТМО создали оптические микрорезонаторы для медицинской диагностики, которые не просто удерживают и усиливают свет, но и сами его генерируют. Как пояснили ученые, эти миниатюрные устройства можно сравнить с круглой зеркальной комнатой, в которой луч света снова и снова отражается от стен, из-за чего становится гораздо интенсивнее. Благодаря этому свойству такие «усилители» можно использовать при создании миниатюрных лазеров, биомедицинских датчиков и оптических меток для защиты драгоценностей от подделки.

Однако широко микрорезонаторы пока не используются, так как большинство существующих образцов имеют серьезные недостатки: их приходится «активировать» мощным лазером, иначе они попросту не будут удерживать и усиливать свет. Кроме того, часто материалы, из которых сделаны такие устройства, несовместимы с биологическими объектами, что не позволяет применять их в медицинской диагностике.

Авторы взяли стандартные микрорезонаторы — сферы из полистирола диаметром около пяти микрометров (в десять раз тоньше человеческого волоса). На их поверхность поместили люминофоры (светящиеся частицы) двух типов: нанокристаллы, состоящие из серебра, индия и серы, а также углеродные точки.

Затем исследователи нанесли еще два дополнительных слоя — полимер и золотые наночастицы. Первый выполнял роль изолятора — он не давал золоту взаимодействовать с нижележащими нанокристаллами и тушить их свечение. Золото служило «антенной», которая усиливает свет, испускаемый микрорезонатором.

Ученые также создали материал, который более чем в 10 тыс. раз повышает чувствительность рамановской спектроскопии — метода для анализа состава самых разных смесей. Благодаря разработке этот подход удастся применять для выявления даже минимальных концентраций интересующих молекул в сложных средах — крови, водоемах, продуктах нефтепереработки и других.

— В будущем мы планируем совместить проведенные ранее исследования и на основе этих результатов создать структуру типа «лаборатория на чипе» с возможностью параллельного детектирования. Также мы проанализируем устойчивость гибридных структур в жидких средах, их отклик на сложные мультикомпонентные пробы, определим пределы обнаружения и избирательность на модельных соединениях для различных архитектур микросфер, — рассказал руководитель проекта, завлабораторией Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО Кирилл Богданов.

Перспективы создания биочипов

Технология открывает большие перспективы для создания ультрачувствительных биочипов экспресс-диагностики, рассказал «Известиям» заведующий лабораторией фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС Вадим Ковалюк.

— Следующим вызовом на пути к коммерциализации станет стабилизация архитектуры в реальных биосредах, где налипание белков и колебания pH могут искажать геометрию сфер и снижать воспроизводимость сигналов. Тем не менее высокая гибкость предложенного метода дает все основания полагать, что эти технологические барьеры будут успешно преодолены, обеспечивая прорыв в доступности ранней диагностики различных заболеваний, — рассказал ученый.

Такие люминесцентные микрорезонаторы выглядят как весьма перспективная платформа для диагностической медицины. Сенсоры логично встраивать в системы жидкостной биопсии, портативные экспресс-анализаторы, в лабораторные мультиплексные платформы, способные одновременно отслеживать несколько маркеров в одном образце, отметила ведущий эксперт рынка НТИ Хелснет Марина Чумакова.

— С точки зрения конкретных нозологий эта технология может оказаться полезной при онкологических, сердечно-сосудистых заболеваниях и в диагностике инфекционных заболеваний, где важны скорость и точность обнаружения антигенов или антител, — сказала «Известиям» специалист.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Optics and Laser Technology.