Замена золота на медь удешевила плазмонные сенсоры для биохимического анализа
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.
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.
Александр Дубов
Это поможет добывать руду и обрабатывать ядерные отходы
Европейские физики теоретически и экспериментально исследовали цикличные процессы всплытия и опускания на дно зерен арахиса в пиве, который называют «танец арахиса». Для этого они в течение двух с половиной часов снимали на камеру этот процесс в лаборатории. Анализируя эти результаты, ученые выяснили, что танец происходит из-за поверхностных свойств арахиса, на которых образование пузырьков предпочтительнее, чем на стенках стакана. Исследование опубликовано в Royal Society Open Science. В России распространен фокус, который показывают на вечеринках с шампанским. Для этого в полный бокал игристого напитка бросают изюминку, кусочек ананаса или дольку шоколада. Брошенное в жидкость тело сначала тонет, но затем всплывает под действием пузырьков газа, зародившихся на его краях. У поверхности пузырьки разрушаются и цикл повторяется. В аргентинских барах существует такая же традиция, только вместо шампанского там используют пиво, а вместо изюма — арахис. Там этот трюк получил название «танец арахиса». Несмотря на качественное понимание такого танца, физики плохо понимают его детали. Вместе с тем, такие процессы происходят не только на вечеринках или в барах, но и в природе: предполагается, что именно так плотный магнетит всплывает в магме. Похожим же образом горняки отделяют железо от руды. Разобраться в этом вопросе решили Луис Перейра (Luiz Pereira) из Университета Людвига Максимилиана и его коллеги из Англии, Германии и Франции. Для этого они провели экспериментальны с арахисом в пиве и подтвердили их результаты численными вычислениями. Физики наполняли резервуар размером 100 × 100 × 200 миллиметров одним литром лагера и опускали в него 13 обжаренных зерен арахиса Arachis hypogaea. Весь процесс они снимали на цифровую камеру. На начальном этапе все зерна плавали на поверхности из-за активного образования пузырей в перенасыщенном углекислом газом пиве. Примерно через 25-30 минут количество пузырьков уменьшалось и арахис начинал цикличное движение вверх и вниз под действием описанного выше механизма. Танец всех зерен прекратился примерно через 150 минут после начала эксперимента — количество газа, растворенного в пиве, опустилось ниже пороговой отметки. Для анализа результатов эксперимента авторы разбили задачу на три части: зарождение пузырьков, плавучесть и цикличность. Для этого им потребовалось знать капиллярные свойства системы, такие как плотность пива и газа, поверхностное натяжение, углы смачивания и так далее. Первое они рассчитали с помощью пивного онлайн калькулятора, второй — взяли из литературы, а для получения информации об углах ученым потребовалось провести дополнительные эксперименты по смачиванию пива стеклом и плоской частью арахиса. В результате физики смогли воспроизвести основные особенности поведения арахиса в пиве, которые они увидели в эксперименте. Так, они доказали, что арахис обладает поверхностью, на которой образование пузырей энергетически более выгодно, чем на стенках стакана. Если бы это было не так, танец арахиса был бы невозможен. Ученые отмечают, что арахис в пиве может служить модельной системой не только для задач геологии и добычи полезных ископаемых, но и в обработке ядерных отходов. Один литр пива — это не так много, когда речь идет о физическом эксперименте (впрочем, не только). То ли дело 30 литров! Именно столько потратили физики из Германии и Кореи, изучая стабильностью пивной пены при розливе «снизу-вверх».