«Лаборатория на чипе»: разработан сверхчувствительный микродатчик для медицинских анализов

Российские ученые разработали высокочувствительный биосенсор на основе фотонных микросхем, способный обнаружить минимальные концентрации исследуемого вещества в жидкостях и газах. Устройство с таким функционалом будет востребовано для ранней индивидуальной диагностики в медицине, а также точного экологического мониторинга окружающей среды. Результаты исследования опубликованы в международном научном журнале Optics Letters.

Сегодня, благодаря технологиям, развитие медицины движется в направлении персональной медицинской помощи. Она предполагает индивидуальный подход с возможностью наблюдения за состоянием пациента «на месте» при посещении врача. Для решения подобной задачи необходимо наличие компактных, недорогих, высокочувствительных приборов, которые способны анализировать биожидкости и газы в режиме реального времени без сложной процедуры обработки данных.

Группа исследователей из НИТУ «МИСиС», Московского педагогического государственного университета и Сколковского института науки и технологий разработала прототип устройства, который может стать в дальнейшем основой для создания комплексной «лаборатории на чипе». Он представляет собой миниатюрный биосенсор, функциональным элементом которого выступает комбинация высокочувствительных фотонных микросхем с микрофлюидными каналами.

Вадим Ковалюк, старший научный сотрудник Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС»:

«Обнаружение веществ в исследуемом растворе или газе при сверхмалых концентрациях требует решения нескольких задач: разработка чувствительных элементов на чипе и их интеграция с компонентами прокачки исследуемого раствора. Для решения первой задачи могут быть использованы чувствительные фотонные интегральные схемы на нитрид-кремниевой платформе с нагревательными элементами. В свою очередь, благодаря высокой адгезии и вариативности изготовления, микрофлюидные каналы из полимера (полиметилдисилоксана) отлично подходят для решения второй задачи. Поэтому наша работа была направлена на разработку и исследование универсального микрофлюидно-нанофотонного сенсора на основе нитрида кремния для обнаружения сверхнизких концентраций вещества в растворах и газах».

Поверх чувствительной – фотонно-микросхемной – части датчика прокачивается исследуемый раствор или газ, что меняет саму конфигурацию данного датчика для распространения в нем оптического излучения. Это приводит к тому, что спектральная характеристика датчика зависит от исследуемого вещества: по ее изменению можно определить как состав, так и концентрацию материала. Микрофлюидные каналы используются как «инфраструктура»: для прокачки исследуемых веществ к чувствительным фотонным элементам на чипе, его очистки и тд.

Такая комбинация позволила создать компактный высокочувствительный сенсор для определения низкой концентрации вещества в жидкостях и газах с возможностью проведения большого количества тестов на одном устройстве и его повторного использования.

Тестируя разработанное устройство, авторы определяли различные, вплоть до минимальных, концентраций изопропанола (один из простых одноатомных спиртов) в деионизованной воде, дополнительно очищенной от ионов. Основываясь на этом, они оценили чувствительность прибора и предел обнаружения анализируемого вещества. По итогам испытаний, микросенсор способен обнаруживать сверхнизкое изменение в показателе преломления исследуемого раствора или газа вплоть до 6,92 × 10−6 RIU (единицы показателя преломления), а в рамках концентрации для изопропанола в воде до 11 ppm (11 частиц изопропанола на 1 миллион частиц деионизованной воды).
По словам разработчиков, устройство может стать перспективной платформой для биомедицинской диагностики и мониторинга окружающей среды: этапом создания полностью компактных высокочувствительных устройств для проведения на одном чипе «тысячи» тестов для определения потенциальных заболеваний или утечек токсинов при использовании ультрамалых объемов исследуемого образца.

Ключевым коммерческим направлением для внедрения таких устройств в ближайшее время может стать область медицины, связанная с выявлением онкологических и вирусных заболеваний за счет использования подхода микрожидкостной биопсии.

Алевтина Черникова, ректор НИТУ «МИСиС»:

«Центр НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС» открылся в 2018 году и сегодня является одной из ведущих российских структур, занимающихся исследованиями в области квантовых коммуникаций. В числе последних достижений наших ученых – создание открытой квантовой сети из 5 узлов, которая является частью проекта по разработке программных решений для защиты информации. Подключиться к ней могут все заинтересованные вузы, научные организации, индустриальные партнеры, государственные учреждения и студенческие стартапы, чтобы разрабатывать современные приложения в сфере информационной безопасности».