Чипа того: биосенсор на основе графена выявит болезни крови
Как новые датчики позволят быстро выявлять проблемы в организме пациента
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.
Справка «Известий»
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».
