Sensorns princip. Upphovsman:Dmitry Fedyanin och Yury Stebunov
Två unga forskare som arbetar vid MIPT Laboratory of Nanooptics and Plasmonics, Dmitry Fedyanin och Yury Stebunov, har utvecklat en ultrakompakt, mycket känslig nanomekanisk sensor för analys av ämnenas kemiska sammansättning och detektering av biologiska föremål, såsom markörer för virussjukdomar, som uppträder när immunsystemet reagerar på obotliga eller svårläkta sjukdomar, inklusive hiv, hepatit, herpes, och många andra. Sensorn gör det möjligt för läkare att identifiera tumörmarkörer, vars närvaro i kroppen signalerar uppkomsten och tillväxten av cancertumörer.
Känsligheten hos den nya enheten kännetecknas bäst av en nyckelfunktion:Enligt dess utvecklare, sensorn kan spåra förändringar av bara några kilodalton i massan av en fribärare i realtid. En Dalton är ungefär massan av en proton eller neutron, och flera tusen Dalton är massan av enskilda proteiner och DNA -molekyler. Så den nya optiska sensorn gör det möjligt att diagnostisera sjukdomar långt innan de kan upptäckas med någon annan metod, som kommer att bana väg för en ny generation diagnostik.
Enheten, beskrivs i en artikel publicerad i tidningen Vetenskapliga rapporter , är en optisk eller, mer exakt, optomekaniskt chip. "Vi har följt framstegen i utvecklingen av mikro- och nanomekaniska biosensorer ett bra tag nu, och kan säga att ingen har kunnat införa en enkel och skalbar teknik för parallellövervakning som skulle vara redo att användas utanför ett laboratorium. Så vårt mål var inte bara att uppnå sensorns höga känslighet och göra den kompakt, men också göra den skalbar och kompatibel med standard mikroelektronikteknologi, "sa forskarna.
Till skillnad från liknande enheter, den nya sensorn har inga komplexa korsningar och kan produceras genom en standard CMOS -processteknik som används inom mikroelektronik. Sensorn har inte en enda krets, och dess design är mycket enkel. Den består av två delar:en fotonisk (eller plasmonisk) nanowave -guide för att styra den optiska signalen, och en cantilever som hänger över vågledaren.
Exempel på flytande och fixerad i balkens ena ände - en stämgaffel. Stämgaffelns oscillationsfrekvens beror på storlek och materialegenskaper.
En fribärande, eller stråle, är en lång och tunn remsa av mikroskopiska dimensioner (5 mikrometer lång, 1 mikrometer bred och 90 nanometer tjock), tätt ansluten till ett chip. För att få en uppfattning om hur det fungerar, tänk dig att trycka ena änden av en linjal tätt mot kanten på ett bord och låta den andra änden hänga fritt i luften. Om du trycker på den fria änden med din andra hand, linjalen kommer att göra mekaniska svängningar vid en viss frekvens. Det är så cantilever fungerar. Skillnaden mellan linjalens och cantileverns oscillationer är bara frekvensen, som beror på material och geometri:medan linjalen oscillerar vid flera tiotals hertz, frekvensen för cantilevers svängningar mäts i megahertz. Med andra ord, den gör några miljoner svängningar per sekund.
Det är två optiska signaler som går genom vågledaren under oscillationer:Den första sätter igång cantilever, och den andra möjliggör läsning av signalen som innehåller information om rörelsen. Det inhomogena elektromagnetiska fältet i styrsignalens optiska läge överför ett dipolmoment till cantilever, påverkar dipolen samtidigt så att cantilever börjar svänga.
Den sinusformigt modulerade styrsignalen gör att fribäret oscillerar vid en amplitud på upp till 20 nanometer. Svängningarna bestämmer parametrarna för den andra signalen, vars uteffekt beror på fribärarens position.
Ljus begränsat i en resonator kommer att reflektera flera gånger från speglarna, och på grund av effekterna av störningar, endast vissa mönster och strålningsfrekvenser kommer att upprätthållas av resonatorn, med de andra undertryckta av destruktiv inblandning. I allmänhet, strålningsmönster som återges vid varje rundresa av ljuset genom resonatorn är de mest stabila, och dessa är egenmoder, känd som lägena, av resonatorn.
De mycket lokaliserade optiska lägena för nanowave -guider, som skapar en stark elektrisk fältintensitetsgradient, är nyckeln till att inducera cantilever -svängningar. Eftersom förändringarna av det elektromagnetiska fältet i sådana system mäts i tiotals nanometer, forskare använder termen "nanofotonik". Utan vågledaren i nanoskala och cantilever, chipet skulle helt enkelt inte fungera. En stor cantilever kan inte få oscillation genom att fritt sprida ljus, och effekterna av kemiska förändringar på dess yta på oscillationsfrekvensen skulle vara mindre märkbara ..
Cantilever -svängningar gör det möjligt att bestämma den kemiska sammansättningen av miljön där chipet placeras. Det beror på att frekvensen av mekaniska vibrationer inte bara beror på materialens dimensioner och egenskaper, men också på massan av det oscillerande systemet, som förändras under en kemisk reaktion mellan fribäraren och miljön. Genom att placera olika reagenser på fribäraren, forskare får den att reagera med specifika ämnen eller till och med biologiska föremål. Om du placerar antikroppar mot vissa virus på cantilever, det kommer att fånga de virala partiklarna i den analyserade miljön. Oscillationer kommer att inträffa vid en lägre eller högre amplitud beroende på viruset eller skiktet av kemiskt reaktiva ämnen på fribärningen, och den elektromagnetiska vågen som passerar genom vågledaren kommer att dispergeras av fribäraren annorlunda, vilket kan ses i förändringarna i intensiteten hos avläsningssignalen.
Beräkningar gjorda av forskarna visade att den nya sensorn kommer att kombinera hög känslighet med en jämförande enkel produktion och miniatyrdimensioner, så att den kan användas i alla bärbara enheter, som smartphones, bärbar elektronik, etc. Ett chip, flera millimeter i storlek, rymmer flera tusen sådana sensorer, konfigurerad för att detektera olika partiklar eller molekyler. Priset, tack vare designens enkelhet, kommer troligen att bero på antalet sensorer, mycket billigare än konkurrenterna.
