Ученые из Московского физико-технического института разработали чувствительные плазмонные биосенсоры, в которых основной элемент сделан не из традиционно используемого золота, а из меди, что позволило сделать устройства дешевле и доступнее для промышленного производства. Чувствительность датчика была повышена за счет использования слоя из оксида графена и проверена с помощью анализа олигонуклеотидов, пишут ученые в Langmuir.

Плазмонные биосенсоры называют сейчас одним из наиболее перспективных типов датчиков, которые можно использовать для анализа в биохимических и фармацевтических исследованиях. Эти устройства основаны на анализе свойств поверхностного плазмона, который возбуждается при облучении металлической поверхности лазером. Если металл при этом взаимодействует с какой-то биомолекулой, то параметры резонансного плазмонного пика изменяются, что и используется для количественного анализа химического состава тех или иных молекул или кинетики биохимических реакций. В качестве плазмонного материала в большинстве наносенсоров, разрабатываемых сейчас для биодиагностики, используется золото. Однако высокая цена золота и сложности при его совмещении с современными технологиями получения микроэлектронных устройств ограничивают использование таких устройств только лабораторными исследованиями и не дают возможности для их промышленного производства.

Российские физики под руководством Юрия Стебунова (Yury V. Stebunov) из Московского физико-технического института предложили новую конфигурацию плазмонного биосенсора, в котором в качестве светочувствительного материала выступает, не золото, а медь. Предложенное учеными устройство имеет слоистую структуру и может быть получено с помощью распространенной технологии «металл-оксид-полупроводник», которую используют при производстве транзисторов. В данном случае слоистая структура устройства состояла из плазмонного слоя меди толщиной около 25 нанометров, который наносился на прозрачную полупроводниковую подложку из оксида индия-олова, а для подавления химической деградации покрывался сначала защитным оксидным слоем (из оксида алюминия или кремния) и после этого — слоем диэлектрика.

Схема плазмонного сенсора на основе меди и оксида графена. Y. V. Stebunov et al./ Langmuir, 2018

Для иммобилизации анализируемых молекул на поверхности сенсора ученые предложили использовать оксид графена с пришитыми к нему белками. Авторы работы отмечают, что использование оксида графена в качестве наружного слоя датчика позволяет значительно повысить его чувствительность по сравнению с традиционно используемыми для иммобилизации молекул пленками из гидрогеля. Такой плазмонный сенсор работает при использовании лазера с длиной волны 653 нанометра — такой же, как и для сенсоров на основе золота. Работу устройства ученые проверили с помощью анализа гибридизации олигонуклеотидов, показав, что сенсор обладает различной чувствительностью к различным последовательностям нуклеотдидов в молекуле и может использоваться, например, при анализе реакций с участием молекул ДНК.

Авторы работы отмечают, что их работа не ограничивается фундаментальными исследованиями, и планируют сделать разработку доступной для потенциальных потребителей до конца года. Исследователи отмечают, что, помимо создания миниатюрных биосенсоров, предложенные ими технологии можно использовать, например, при разработке нейроинтерфейсов.

Область возможного применения плазмонных сенсоров не ограничивается биохимией и медицинскими анализом. Например, недавно физики предложили использовать инфракрасные плазмонные сенсоры для обнаружения лесных пожаров и анализа автомобильных выхлопов.

Автор: Александр Дубов