Российские ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ разработали принципиально новую конструкцию биосенсора, который во много раз чувствительнее, а также значительно дешевле существующих аналогов. Описание приведено в журнале Sensors.
Биосенсор — электрохимический датчик, позволяющий в реальном времени определять состав биологических жидкостей.
Единственное на сегодняшний день массовое бытовое применение биосенсоров — в приборах для моментального измерения уровня глюкозы в крови.
Но футурологи обещают, что в недалеком будущем бытовые электронные приборы, анализирующие при помощи биосенсоров состав пота, слюны, глазной жидкости и других выделений, смогут идентифицировать личность, делать медицинские анализы, ставить диагнозы, непрерывно контролировать состояние здоровья и составлять оптимальный рацион питания для конкретного человека в зависимости от текущего состояния его организма.
Биосенсоры могли бы быть встроены в смартфоны, умные часы и другие гаджеты уже сейчас, но главными препятствиями являются их высокая стоимость и низкая чувствительность.
Ученые из МФТИ нашли недорогой способ, как поднять чувствительность биологических датчиков до уровня, достаточного для их применения в бытовых приборах.
«Традиционный биосенсор состоит из кольцевого резонатора и волновода, расположенного в одной плоскости с резонатором, — приводятся в пресс-релизе института слова первого автора статьи Кирилла Воронина, сотрудника лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ. — Мы решили попробовать разнести эти два элемента, поместить их в разные плоскости, расположить колечко над волноводом».
Раньше никто из исследователей не пытался так делать, потому что в лабораторных условиях гораздо проще изготовить одноуровневую плоскую конструкцию, совмещающую кольцевой резонатор и волновод на единой подложке.
Двухъярусную конструкцию биосенсора сложнее изготавливать в единичных экспериментальных экземплярах, но зато проще и дешевле при массовом производстве на заводах микроэлектроники, где все технологические процессы ориентированы на послойное размещение активных элементов. Но главное, предложенная объемная конструкция биосенсора позволяет добиться от него во много раз большей чувствительности.
Работа биосенсоров основана на том, что за счет поглощения органических молекул поверхностью датчика происходит небольшое изменение показателя преломления последней. Это изменение фиксируется с помощью резонатора, так как даже самые слабые колебания показателя преломления вызывают значительное смещение резонансных пиков. Поэтому биосенсор способен откликаться чуть ли не на каждую органическую молекулу, попадающую на поверхность датчика.
«У нас полосковый волновод расположен под резонатором, в толще диэлектрика, — объясняет один из соавторов работы Алексей Арсенин, ведущий научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ. — Резонатор же находится на границе раздела, между диэлектрической подложкой и внешней средой. Это позволяет значительно поднять его чувствительность путем подбора показателей преломления двух сред».
В предложенной учеными новой компоновке биосенсора вся его оптическая часть — источник и детектор излучения — располагается внутри диэлектрика. Снаружи же остается только чувствительная зона конструкции — золотое колечко диаметром несколько десятков микрометров и толщиной несколько десятков нанометров.
