Twee jonge onderzoekers van het MIPT Laboratory of Nanooptics and Plasmonics, Dmitry Fedyanin en Yury Stebunov, hebben een ultracompact, zeer gevoelige nanomechanische sensor voor het analyseren van de chemische samenstelling van stoffen en het detecteren van biologische objecten, zoals markers voor virale ziekten, die verschijnen wanneer het immuunsysteem reageert op ongeneeslijke of moeilijk te genezen ziekten, inclusief hiv, hepatitis, herpes, en vele anderen. Met de sensor kunnen artsen tumormarkers identificeren, waarvan de aanwezigheid in het lichaam de opkomst en groei van kankertumoren aangeeft.

De gevoeligheid van het nieuwe apparaat wordt het best gekenmerkt door één belangrijk kenmerk:volgens de ontwikkelaars de sensor kan veranderingen van slechts een paar kilodalton in de massa van een cantilever in realtime volgen. Eén Dalton is ongeveer de massa van een proton of neutron, en enkele duizenden Daltons zijn de massa van individuele eiwitten en DNA-moleculen. Dus de nieuwe optische sensor maakt het mogelijk ziekten te diagnosticeren lang voordat ze met een andere methode kunnen worden gedetecteerd, die de weg vrijmaakt voor een nieuwe generatie diagnostiek.

Het apparaat, beschreven in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten , is een optische of, preciezer, optomechanische chip. "We volgen al geruime tijd de voortgang in de ontwikkeling van micro- en nanomechanische biosensoren, en kan zeggen dat niemand een eenvoudige en schaalbare technologie voor parallelle monitoring heeft kunnen introduceren die klaar zou zijn voor gebruik buiten een laboratorium. Ons doel was dus niet alleen om de hoge gevoeligheid van de sensor te bereiken en hem compact te maken, maar ook schaalbaar en compatibel maken met standaard micro-elektronicatechnologieën, ', aldus de onderzoekers.

In tegenstelling tot vergelijkbare apparaten, de nieuwe sensor heeft geen complexe knooppunten en kan worden geproduceerd via een standaard CMOS-procestechnologie die wordt gebruikt in de micro-elektronica. De sensor heeft geen enkel circuit, en het ontwerp is heel eenvoudig. Het bestaat uit twee delen:een fotonische (of plasmonische) nanogolfgeleider om het optische signaal te regelen, en een cantilever die over de golfgeleider hangt.

een uitkraging, of straal, is een lange en dunne strook van microscopisch kleine afmetingen (5 micrometer lang, 1 micrometer breed en 90 nanometer dik), nauw verbonden met een chip. Om een ​​idee te krijgen hoe het werkt, stel je voor dat je het ene uiteinde van een liniaal stevig tegen de rand van een tafel drukt en het andere uiteinde vrij in de lucht laat hangen. Als u met uw andere hand het vrije uiteinde vastklikt, de liniaal zal mechanische trillingen maken met een bepaalde frequentie. Zo werkt de cantilever. Het verschil tussen de oscillaties van de liniaal en de cantilever is alleen de frequentie, die afhangt van de materialen en geometrie:terwijl de liniaal oscilleert met enkele tientallen hertz, de frequentie van de oscillaties van de cantilever wordt gemeten in megahertz. Met andere woorden, het maakt een paar miljoen trillingen per seconde.

Er gaan twee optische signalen door de golfgeleider tijdens oscillaties:de eerste zet de cantilever in beweging, en de tweede maakt het lezen van het signaal met informatie over de beweging mogelijk. Het inhomogene elektromagnetische veld van de optische modus van het stuursignaal zendt een dipoolmoment naar de cantilever, tegelijkertijd de dipool raken, zodat de cantilever begint te oscilleren.

Het sinusvormig gemoduleerde stuursignaal laat de cantilever oscilleren met een amplitude tot 20 nanometer. De oscillaties bepalen de parameters van het tweede signaal, waarvan het uitgangsvermogen afhangt van de positie van de cantilever.

De sterk gelokaliseerde optische modi van nanogolfgeleiders, die een sterke gradiënt van de elektrische veldintensiteit creëren, zijn de sleutel tot het induceren van cantilever-oscillaties. Omdat de veranderingen van het elektromagnetische veld in dergelijke systemen worden gemeten in tientallen nanometers, onderzoekers gebruiken de term 'nanofotonica'. Zonder de golfgeleider op nanoschaal en de cantilever, de chip zou gewoon niet werken. Een grote cantilever kan niet oscilleren door licht vrijelijk te verspreiden, en de effecten van chemische veranderingen aan het oppervlak op de oscillatiefrequentie zouden minder merkbaar zijn.

Cantilever-oscillaties maken het mogelijk om de chemische samenstelling te bepalen van de omgeving waarin de chip wordt geplaatst. Dat komt omdat de frequentie van mechanische trillingen niet alleen afhangt van de afmetingen en eigenschappen van de materialen, maar ook op de massa van het oscillerende systeem, die verandert tijdens een chemische reactie tussen de cantilever en de omgeving. Door verschillende reagentia op de cantilever te plaatsen, onderzoekers laten het reageren met specifieke stoffen of zelfs biologische objecten. Als u antistoffen tegen bepaalde virussen op de cantilever plaatst, het vangt de virale deeltjes in de geanalyseerde omgeving op. Afhankelijk van het virus of de laag chemisch reactieve stoffen op de cantilever treden oscillaties op met een lagere of hogere amplitude, en de elektromagnetische golf die door de golfgeleider gaat, zal anders door de cantilever worden verspreid, wat te zien is aan de veranderingen van de intensiteit van het uitleessignaal.

Berekeningen van de onderzoekers toonden aan dat de nieuwe sensor een hoge gevoeligheid zal combineren met een relatief gemakkelijke productie en miniatuurafmetingen, waardoor het kan worden gebruikt in alle draagbare apparaten, zoals smartphones, draagbare elektronica, enz. Een chip, enkele millimeters groot, biedt plaats aan enkele duizenden van dergelijke sensoren, geconfigureerd om verschillende deeltjes of moleculen te detecteren. De prijs, dankzij de eenvoud van het ontwerp, zal hoogstwaarschijnlijk afhangen van het aantal sensoren, veel goedkoper zijn dan zijn concurrenten.