Новый наноматериал поможет за несколько минут обнаружить единичные молекулы в капле жидкости. Его можно будет использовать в медицинской диагностике, криминалистической экспертизе, контроле качества продуктов питания, лекарств, воды. Сегодня такой экспресс-анализ провести почти невозможно из-за низкой чувствительности существующих методов.
Разработка ведется в «Сириусе» на научно-технологической программе «Большие вызовы» по направлению «Нанотехнологии». Партнер проекта – компания SOL instruments.
Один из самых известных методов детектирования и исследования молекул – рамановская спектроскопия: на анализируемое вещество воздействуют лазером, небольшая часть излучения которого возбуждает молекулы этого вещества, а затем рассеивается с измененной частотой. В спектре рассеянного света содержится уникальная информация о молекуле. Поэтому рамановскую спектроскопию часто называют методом «снятия отпечатков пальцев» молекул. Однако провести такой анализ при незначительном количестве вещества невозможно: в этом случае число рамановских рассеянных фотонов крайне мало.
Юные ученые-участники проекта в «Сириусе» разрабатывают биосенсор, который усилит сигнал и позволит исследовать растворы с предельно низкой концентрацией целевых молекул.
«Это будет биосенсор на основе кремниевого чипа, покрытого наноструктурами металлов. Суть метода такова: на биосенсор наносят жидкость для анализа и размещают его в рамановском спектрометре, где под воздействием лазера в металлических наноструктурах инициируются коллективные колебания свободных электронов, квант которых называется плазмоном, что приводит к аномальному усилению электромагнитного поля у поверхности наноматериала и, соответственно, невероятному увеличению количества рамановских фотонов, рассеиваемых от изучаемых молекул. Благодаря этому биосенсор позволит увидеть молекулу, которая ранее была незаметна», – рассказала руководитель проекта, старший научный сотрудник Московского института электронной техники, заведующая лабораторией «Прикладная плазмоника» Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники Анна Бондаренко.
Каждый из пяти участников «Больших вызовов» разработал свой образец биосенсора на основе наноструктур кремния и металлов. Сейчас юные изобретатели исследуют полученные наноматериалы: изучают их морфологию, механические и оптические свойства, устанавливают чувствительность каждого образца по отношению к тестовым молекулам с использованием рамановской спектроскопии. После этого из пяти образцов выберут лучший, с самой высокой эффективностью, и с его помощью попробуют обнаружить: есть ли бактерии в свежевыжатом соке – такой объект для анализа выбрали юные исследователи. Результаты этих экспериментов и будут представлены в финале.
«Я планирую стать пластическим хирургом и помогать людям. Давно хотел попасть в научную среду и получить практические навыки. И вот моя мечта сбылась. Я оказался в химической лаборатории, где готовил растворы и проводил анализ на современном оборудовании, с которым раньше не сталкивался. Например, рамановский спектрометр, металлографический микроскоп, сканирующий зондовый микроскоп, микротвердомер, измеряющий прочность покрытий», – отметил участник проекта из Красноярского края Андрей Чеменев.
Интересно, что созданные ребятами биосенсоры станут одноразовыми расходными материалами для исследований, поэтому важна их себестоимость. С этой задачей школьники также справились: недорогая технология изготовления и доступные материалы гарантируют низкую цену подложки.
