Потом и кровью: чувствительность биосенсоров поднимется в разы

Биосенсоры, встроенные в смартфоны, умные часы и другие гаджеты, скоро станут реальностью. На обложке январского выпуска научного журнала Sensors анонсирована статья Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, в которой описывается найденный учеными способ поднять чувствительность биологических датчиков до уровня, достаточного для их применения в бытовых приборах. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.

Биосенсор — электрохимический датчик, позволяющий в реальном времени определять состав биологических жидкостей. Пожалуй, единственное на сегодняшний день массовое бытовое применение биосенсоров — приборы для моментального измерения уровня глюкозы в крови. Но футурологи обещают, что в недалеком будущем бытовые электронные приборы, анализирующие при помощи биосенсоров состав пота, слюны, глазной жидкости и других выделений, смогут идентифицировать личность, делать медицинские анализы, ставить диагнозы, непрерывно контролировать состояние здоровья и составлять оптимальный рацион питания для конкретного человека в зависимости от текущего состояния его организма.

До недавнего времени всерьез говорить о подобных применениях биосенсоров не позволяла их низкая чувствительность и неподъемная для потребительского рынка стоимость. Но, похоже, в этой области намечается долгожданный прорыв: группа ученых с Физтеха предложила принципиально новую конструкцию биосенсора, обещающую повышение его чувствительности и снижение стоимости. То и другое — во много раз.

«Традиционный биосенсор состоит из кольцевого резонатора и волновода, расположенного в одной плоскости с резонатором, — рассказывает автор идеи опубликованной работы, студент магистратуры МФТИ и сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники Кирилл Воронин. — Мы решили попробовать разнести эти два элемента, поместить их в разные плоскости, расположить колечко над волноводом».

Раньше никто из исследователей не пытался так делать, потому что в лабораторных условиях гораздо проще изготовить одноуровневую плоскую конструкцию: на подложку наносят тонкую пленку, вытравливают ее и получают одновременно и кольцевой резонатор, и волновод. Двухъярусная же конструкция биосенсора оказалась более сложной для изготовления в единичных экспериментальных экземплярах, но зато более дешевой при массовом производстве на заводах микроэлектроники, где все технологические процессы ориентированы как раз на послойное размещение активных элементов.

Но главное, предложенная объемная конструкция биосенсора позволяет добиться от него во много раз большей чувствительности.

Работа биосенсоров основана на том, что за счет поглощения органических молекул поверхностью  датчика происходит небольшое изменение показателя преломления последней. Это изменение фиксируется с помощью резонатора, у которого условия резонанса зависят от показателя преломления внешней среды. Явление резонанса обладает тем свойством, что даже самые слабые колебания показателя преломления вызывают значительное смещение резонансных пиков. Поэтому биосенсор способен откликаться чуть ли не на каждую органическую молекулу, попадающую на поверхность датчика. 

«У нас полосковый волновод расположен под резонатором, в толще диэлектрика, — объясняет один из соавторов работы Алексей Арсенин, ведущий научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ. — Резонатор же находится на границе раздела, между диэлектрической подложкой и внешней средой. Это позволяет значительно поднять его чувствительность путем подбора показателей преломления двух сред».

В предложенной учеными новой компоновке биосенсора вся его оптическая часть —  источник и детектор излучения — располагается внутри диэлектрика. Снаружи же остается только чувствительная зона конструкции — золотое колечко диаметром несколько десятков микрометров и толщиной несколько десятков нанометров (см. рисунок).

Устройство биосенсора. Волновод находится внутри диэлектрика. Резонатор в виде кольцевого волновода расположен вне подложки, на границе с исследуемой биологической жидкостью. При изменении ее показателя преломления возникает смещение резонансной кривой.

Кирилл Воронин убежден, что созданный на Физтехе метод повышения чувствительности биосенсоров позволит вывести эту область технологий на качественно новый уровень. «Наша схема призвана существенно упростить и удешевить биосенсоры, — говорит он. — Для производства датчиков, построенных на нашем принципе, достаточно только оптической литографии. Не требуется никаких движущихся деталей, достаточно настраиваемого лазера, работающего в очень узком диапазоне».

По оценке директора Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Валентина Волкова, для создания промышленного образца на основе предложенной технологии понадобится около трех лет. 

mipt.ru