Биосенсор с акустическим управлением для идентификации биомолекул

Исследователи из Института оптоэлектронных систем и микротехнологий Мадридского политехнического университета (UPM) разработали биосенсор, способный идентифицировать белки и пептиды в количествах, не превышающих один монослой. Для этого используется поверхностная акустическая волна (ПАВ), своего рода управляемое электричеством «нано-землетрясение» на чипе. Она генерируется встроенным преобразователем и воздействует на структуру из 2D-материалов, покрытую целевыми биомолекулами.

Как сообщается в статье «Surface-acoustic-wave-driven graphene plasmonic sensor for fingerprinting ultrathin biolayers down to the monolayer limit» в журнале Biosensors and Bioelectronics, ПАВ создаёт рябь на поверхности графеновой структуры. Это позволяет удерживать средний инфракрасный свет в чрезвычайно малых объёмах, усиливая взаимодействие света и вещества на наноуровне.

В частности, на колеблющейся структуре формируются квазичастицы, представляющие собой гибрид света (фотонов) и вещества (электронов и колебаний кристаллической решётки) — поверхностные плазмон-фононные поляритоны. Они сильно взаимодействуют с молекулами на поверхности.

Органические молекулы поглощают определённые длины волн в среднем инфракрасном диапазоне, характерные для их химического состава и структуры. Этот набор резонансов поглощения, называемый колебательным спектром («отпечатком пальца»), позволяет идентифицировать органическое соединение.

«Усиливая взаимодействие между светом и биомолекулами, нанесёнными на сенсор, мы сможем идентифицировать аналиты в меньших количествах, вплоть до одного монослоя», — говорит Рауль Искьердо, первый автор исследования.

По словам ведущего учёного исследования Хорхе Педроса, преимущество этого механизма в том, что ПАВ активно управляются высокочастотным напряжением. Это позволяет легко переключаться между конфигурацией «ВКЛ» (когда взаимодействие усилено) и «ВЫКЛ» (без усиления сигнала). Такая схема измерений повышает разрешающую способность сенсора.

«Помимо разработки сенсора и расчёта его характеристик, мы также предлагаем математический метод для извлечения количественной информации, которая на первый взгляд скрыта, что дополнительно повышает чувствительность сенсора», — отмечает Искьердо.

Для этого молекулы аналита и поверхностные плазмон-фононные поляритоны моделируются как взаимодействующие друг с другом осцилляторы, на которые воздействует внешняя сила (свет, падающий на сенсор). Несмотря на простоту, эта модель хорошо воспроизводит результаты расчётов.

В заключение Педрос заявляет: «Мы уверены, что это исследование внесёт вклад в разработку новых лабораторий-на-чипе. В них можно будет объединить способность этого нового биосенсора на ПАВ к химической идентификации с другими акустическими функциями, такими как масс-сенсоринг на основе ПАВ или управление потоками и смешивание капель в микрофлюидных схемах».