Чипа того: биосенсор на основе графена выявит болезни крови
Ученые из Сибири создают прототипы сенсоров, позволяющих оценивать состав биологической жидкости по динамике ее испарения. Для точного и быстрого анализа потребуется всего одна капля крови или слюны пациента. Такой анализ точен и выполняется быстрее классического, а для его проведения не требуется наличия целого лабораторного комплекса. По словам разработчиков, технология применима к диагностике любых заболеваний, связанных со значимым изменением состава жидкостей в организме, прежде всего это болезни крови. Эксперты считают сенсоры перспективными, однако нужно, чтобы они прошли весь цикл испытаний.
На вкус и цвет
Научные сотрудники лаборатории физических основ энергетики Физического факультета Новосибирского государственного университета работают над созданием прототипов сенсоров, позволяющих оценивать состав капли биологической жидкости по динамике ее испарения. Технология ложится в концепцию создания электронных органов чувств, рассказали разработчики.
— В настоящее время различные устройства стремительно «умнеют». Появляются роботы, беспилотники, технологии для умного дома и многое другое. Для адекватного взаимодействия с окружающим миром подобным гаджетам необходимо иметь электронные органы чувств: осязание, слух, обоняние и вкус, — рассказал «Известиям» руководитель проекта, старший научный сотрудник кафедры физики неравновесных процессов Физического факультета НГУ, кандидат физико-математических наук Владимир Андрющенко. — Можно сказать, что сейчас первые две задачи успешно решены — электронный «глаз» и электронное «ухо» у нас уже есть. С электронным «носом» и «языком» дела обстоят несколько сложнее. Здесь создать компактную и эффективную систему пока не удается. Область интересов нашего коллектива как раз сосредоточена в развитии сенсорных приложений для создания анализаторов состава газа и жидкости.
По словам ученого, количество потенциальных различных приложений здесь достаточно велико. Исследования его группы лежат в области анализа состава и динамики высыхающих капель. Уже сейчас существуют работы, в которых по анализу структуры осадков определяют некоторые заболевания.
— Например, высохшие капли слюны здоровой коровы и коровы, больной бешенством, существенно отличаются. Очевидно, наличие патогенов будет влиять и на динамику испарения жидкости. Соответственно, основная идея заключается в том, чтобы создать относительно простой сенсор, позволяющий оценивать состав капли биологической жидкости по динамике ее испарения, — пояснил Владимир Андрющенко.
Потенциально созданная технология применима к диагностике любых болезней, связанных со значимым изменением состава биологических жидкостей. Прежде всего это заболевания крови, рассказали разработчики.
Графы и графены
Для достижения поставленной цели ученые проводят комплексное исследование. В эксперименте они исследуют динамику испарения капель на различных подложках, покрытых графеном. При моделировании соответствующей системы методом молекулярной динамики основной акцент делается на основных механизмах, влияющих на исследуемый процесс.
Графен — это одноатомный слой графита. Это идеальный кандидат в качестве рабочей поверхности для различных сенсоров, так как он обладает высокими прочностными характеристиками, химической и термической стойкостью, а также высокими коэффициентами теплопроводности и электропроводности. Будучи двумерным материалом, графен автоматически обеспечивает компактность создаваемого датчика, а учитывая его упругость, и гибкого датчика.
— Относительно недавно нами было показано, что графен существенно меняет проводимость при контакте с водой. Более того, оказалось, что он также чувствителен не только к присутствию жидкости, но и к наличию ее потока. Поэтому естественным предположением было наличие подобного эффекта и для испаряющихся капель, — сказал Владимир Андрющенко.
По его словам, основной вопрос на первом этапе работ заключался в том, достаточно ли чувствителен графеновый датчик для определения изменений, характерных для испаряющихся капель. И эти предположения подтвердились.
Ученым, задействованным в проекте, уже удалось добиться важных результатов. Прежде всего, было показано наличие достаточной чувствительности сенсора к динамике испарения капли.
Снять с языка
Руководитель проекта считает, что впереди у коллектива еще много работы: какой бы прототип не был реализован, исследователи будут стремиться повысить точность измерения, обеспечить детектирование минимального объема примесей, расширить набор базовых жидкостей, увеличить число определяемых компонентов и т.д. В перспективе их усилия будут направлены на создание рабочего датчика с максимальной чувствительностью и селективностью к составу контактирующей с ним жидкости.
Сегодня сегмент персонализированной медицины, в том числе медпомощников, можно назвать одним из основополагающих трендов, рассказал «Известиям» заместитель руководителя лаборатории персональных медицинских помощников Центра НТИ «Бионическая инженерия в медицине» СамГМУ Петр Кшнякин. Телемедицина, дистанционный мониторинг и носимые устройства считаются трендом уже не столько будущего, сколько настоящего.
— Если брать различные системы, включая портативные, то это тоже важный элемент диагностики, который позволяет обойтись без крупных лабораторных анализаторов. Создаваемые небольшие переносные устройства потенциально могут входить в персональные медицинские помощники. Компактные индивидуальные биоанализаторы могут использоваться, по сути, в любом месте, охватывать широкий спектр параметров, поэтому данная технология является вполне перспективной и интересной, — сказал эксперт.
Однако необходимо проведение испытаний, уверен Петр Кшнякин. Но в целом вектор выбран правильный, и, возможно, это одна из тех технологий, которая будет масштабирована в рамках носимой электроники.
— Такие сенсоры будут востребованы, если с их помощью можно будет производить быструю диагностику. Она, скорее всего, будет недорогая, в отличие от химических реактивов. Однако нужно еще посмотреть, как они будут проявлять себя на практике, — сказал научный сотрудник Института иммунологии и физиологии Уральского отделения РАН Михаил Болков.
Работы по проекту проводятся в рамках гранта РНФ «Развитие научных основ создания биосенсоров на базе графена».
