Высокочувствительный биосенсор на основе фотонных микросхем для обнаружения минимальных концентраций исследуемого вещества в жидкостях и газах разработала группа исследователей из НИТУ «МИСиС», Московского педагогического государственного университета и Сколковского института науки и технологий, 2 июня сообщает пресс-служба МИСиС.

Микродатчик с такими уникальными характеристиками сможет найти применение как в медицине для ранней индивидуальной диагностики, так и для точного экологического мониторинга окружающей среды.

Решая задачу разработки компактных, недорогих, высокочувствительных приборов, которые способны анализировать биожидкости и газы в режиме реального времени без сложной процедуры обработки данных, которые можно применять у постели пациента, исследователи разработала прототип устройства как основу для создания комплексной «лаборатории на чипе».

Старший научный сотрудник Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС» Вадим Ковалюк пояснил: «Обнаружение веществ в исследуемом растворе или газе при сверхмалых концентрациях требует решения нескольких задач: разработка чувствительных элементов на чипе и их интеграция с компонентами прокачки исследуемого раствора».

Для решения первой задачи команда выбрала чувствительные фотонные интегральные схемы на нитрид-кремниевой платформе с нагревательными элементами. А для прокачки исследуемого раствора решено было использовать микрофлюидные каналы из полимера (полиметилдисилоксана), обладающие высокой адгезией.

«Наша работа была направлена на разработку и исследование универсального микрофлюидно-нанофотонного сенсора на основе нитрида кремния для обнаружения сверхнизких концентраций вещества в растворах и газах», — уточнил Ковалюк.

Работа сенсора организована следующим образом: над чувствительной фотонно-микросхемной частью датчика прокачивается исследуемый раствор или газ, что приводит к изменению ее структуры для распространения в нем оптического излучения. Поэтому спектральная характеристика датчика изменяется в зависимости от исследуемого вещества. Это изменение позволяет определить и состав, и концентрацию вещества, присутствующего в жидкости.

Микрофлюидные каналы являются «инфраструктурой» для подачи исследуемых веществ к чувствительным фотонным элементам на чипе, а также их очистки и т. д.

Разработанная конструкция сенсора позволила сделать его компактным, позволяющим проведение большого количества тестов на одном устройстве и его повторное использование.

Результаты тестовых испытаний определения концентраций изопропанола в деионизованной воде показали, что разработанный микросенсор обнаруживает сверхнизкое изменение в показателе преломления исследуемого раствора или газа — до 6,92 × 10⁻⁶ RIU (единицы показателя преломления), а при определении концентрации изопропанола в воде обладает чувствительностью до 11 ppm (11 частиц изопропаноала на 1 млн частиц деионизованной воды).

Разработчики считают, что их микросенсор может стать перспективной платформой для биомедицинской диагностики и мониторинга окружающей среды, этапом в создании компактных высокочувствительных устройств, в которых на одном чипе будут выполняться «тысячи» тестов для определения заболеваний или утечки токсинов.

В ближайшее время устройство может найти применение для выявлением онкологических и вирусных заболеваний при использовании метода микрожидкостной биопсии.