Послойная сборка помогла российским учёным модифицировать нанофотонный сенсор

Команда исследователей из НИУ ВШЭ, Сколтеха, МПГУ и НИТУ МИСиС добилась новых успехов в разработке «лаборатории на чипе» — компактного сенсорного прибора для биохимического анализа. На примере плёнок из сывороточного белка альбумина учёные доказали, что поверхность чипа можно модифицировать для избирательного анализа многокомпонентных растворов. Чип позволит  проводить точный анализ крови по 3–5 микролитрам и в перспективе поможет медикам выявлять специфические маркеры болезней. Исследование опубликовано в журнале Analytical Chemistry.

Практически любое медицинское обследование начинается с назначения анализов. Чаще всего пациенты сдают общий анализ крови. Он позволяет оценить содержание гемоглобина, количество эритроцитов и лейкоцитов и т.д. Иногда для анализа важен не целый ряд показателей, а только один компонент. Например, необходимо определить количество экзосом — микроскопических внеклеточных везикул (пузырьков), повышенная концентрация которых в плазме крови свидетельствует о развитии онкологии.

В лаборатории это делают с помощью чувствительных датчиков: их поверхность модифицируют специальным слоем, который связывается только со специфичными экзосомами и «вылавливает» их из раствора для анализа. На некоторых устройствах процедура требует нескольких действий: сначала наносят слой на поверхность датчика, а затем на дополнительном оборудовании проверяют его качество. Авторы исследования показали, как можно упростить проверку и с помощью датчиков на самом чипе отслеживать модификацию поверхности.

Наш чип соразмерен пятирублевой монете. Но при этом на его поверхности можно создать десятки чувствительных устройств, подвести к ним микрофлюидные каналы, модернизировать поверхность каждого из сенсоров и создать прототип «лаборатории на чипе».

Григорий Гольцман
Один из разработчиков новой технологии, профессор МИЭМ НИУ ВШЭ и МПГУ

Учёные провели ряд экспериментов на подложке чипа: на неё наносились тонкие плёнки из белка. Чип состоит из трёх частей: микрофлюидных каналов, через которые прокачиваются вещества, нитрид-кремниевой подложки, на поверхности которой создают пленки, и интерферометра, который измеряет оптическую плотность веществ. Микрофлюидный канал расположен над чувствительной частью одного из плеч интерферометра.

В экспериментах на чувствительную поверхность фотонных датчиков наносили пленки из белка и дубильной кислоты. Сначала через микрофлюидные каналы прокачивали белок (сывороточный бычий альбумин), промывали излишки деионизованной водой, затем прокачивали дубильную кислоту и снова наносили слой из белка. Каждый слой анализировали с помощью оптических показаний интерферометра.

У оптических датчиков чипа высокая чувствительность, но низкая специфичность к компонентам растворов. Во-первых, нам удалось повысить специфичность благодаря модификации поверхности датчика плёнкой из молекул, чувствительной только к одному компоненту из раствора. Во-вторых, процесс нанесения покрытия контролировался самим сенсором в реальном времени.

Дмитрий Горин
Профессор Сколтеха

Учёные продолжат работать над созданием «лаборатории на чипе» — прибора для биохимического анализа сразу нескольких компонентов по минимальному количеству биологических жидкостей, например по одной капле крови. Для этого планируется объединить несколько устройств.

Одновременная работа всех сенсоров на приборе после модификации поверхности каждого из каналов позволит анализировать 3–5 микролитров крови на наличие маркеров и поставить предварительный диагноз пациенту.

Алексей Кузин
Один из авторов статьи, выпускник НИУ ВШЭ, аспирант Сколтеха

IQ

February 20, 2023