Новый биосенсор на основе массива нанопроволочных кристаллов

Ученые из Корнеллского университета разработали наномеханический биосенсор, который может стать основой для быстрого, недорогого и высокочувствительного теста, выявляющего маркеры заболеваний или другие молекулы в растворах с низкой концентрацией. Это может помочь в раннем обнаружении болезней.

Биосенсор, основанный на массиве фотонных кристаллических нанопроволок, создан аспирантом Юэруи Лу в лаборатории Амита Лала, профессора электротехники и вычислительной техники. Их исследование было опубликовано онлайн 6 декабря в журнале Nature Communications.

Работу сенсора подтвердили в сотрудничестве с профессором биологической и экологической инженерии Дэном Ло и его аспирантом Сонмином Пэном.

Экспериментальное устройство представляет собой механический резонатор диаметром 50 микрон, изготовленный из тонкой мембраны кремний-диоксид кремния с упорядоченными, плотно упакованными вертикальными нанопроволоками на поверхности. Такая конструкция обеспечивает высокое отношение площади поверхности к объему для обнаружения биомолекул, что позволяет детектировать молекулы при очень низких концентрациях — вплоть до фемтомолярных. Например, сенсор может найти всего несколько молекул в стакане воды.

Принцип работы сенсора заключается в прикреплении одноцепочечных ДНК-зондов (проб) к нанопроволокам. Когда эти молекулы вступают в контакт с целевой одноцепочечной ДНК, соответствующие молекулы связываются, изменяя массу, регистрируемую устройством. Изменение массы вызывает сдвиг резонансной частоты устройства.

На устройство направляется лазерный луч, а инновационный дизайн нанопроволок позволяет поглощать более 90% света, что приводит к эффективному опто-термо-механическому возбуждению резонатора. Оптическое считывание изменения резонансной частоты может осуществляться дистанционно, быстро и без проводов, что делает устройство удобным и недорогим в изготовлении.

Амит Лал предполагает, что врачи смогут использовать такое устройство в клиническом анализе, например, для тестирования ДНК. Обычно сегодня ДНК из взятой крови сравнивается со стандартной последовательностью.

Новое устройство вместо этого можно запрограммировать на определенные релевантные последовательности ДНК, и эти конкретные молекулы можно будет обнаруживать на ранних стадиях, когда их концентрация низка.

«Вы могли бы иметь картридж с массивом таких мембранных сенсоров и быстро сканировать, чтобы увидеть, какой дефект ДНК у вас может быть», — говорит он. — «Современные тесты требуют времени и дороги».

Такие сенсоры также могут быть полезны для экологических приложений, таких как мониторинг качества воды. Исследователи надеются улучшить свое устройство, сделав его чувствительным к определенным белковым молекулам, что сложнее, поскольку они связываются не так специфично, как молекулы ДНК.