Наноконсоли преподносят сюрпризы, важные для разработки новых детекторов

Исследователи из Университета Пердью обнаружили неожиданное поведение наноконсолей, что может быть критически важно для проектирования нового класса сверхмалых сенсоров для обнаружения вирусов, бактерий и других патогенов.

Наноконсоли, напоминающие крошечные трамплины из кремния, могут использоваться в детекторах будущего, так как их частота вибрации меняется при связывании с ними загрязнителей. Их малый размер обеспечивает высокую чувствительность, что обещает создание продвинутых сенсоров для раннего обнаружения опасных патогенов.

Учёные с удивлением обнаружили, что консоли, покрытые антителами для детекции вирусов, притягивают разную плотность антител (количество на единицу площади) в зависимости от своей длины. При этом более длинные консоли имели не только больше антител, но и большую их плотность, особенно ближе к свободному концу.

Инженеры установили, что после прикрепления антител консоли вибрируют быстрее, если их толщина (около 20 нм) сравнима с толщиной белкового слоя. Более того, чем длиннее покрытая белком наноконсоль, тем выше частота вибрации. Это можно объяснить только увеличением плотности антител с ростом длины.

Для подтверждения гипотезы использовали лазерный допплеровский виброметр и флуоресцентную микроскопию. Затем была разработана математическая модель на основе уравнения диффузионной реакции, описывающая это поведение.

Вывод исследования: когда присоединяемая масса (слой антител) сравнима по толщине с консолью, меняется не только масса, но и эффективная жёсткость системы, что может приводить к увеличению резонансной частоты, а не к её снижению, как в случае более массивных микроконсолей.

Работа, финансируемая Национальными институтами здравоохранения (NIH), направлена на создание сенсоров для обнаружения следовых количеств загрязнителей в воздухе и жидкостях. Такие «лаборатории-на-чипе» могут заменить громоздкое оборудование. На чипе площадью 1 см² можно разместить тысячи консолей.

Исследованные консоли имели длину от нескольких до десятков микрометров и толщину около 20 нм (примерно 10 атомов водорода). Результаты подробно изложены в статье, опубликованной 28 августа в Proceedings of the National Academy of Sciences.