Как создают биосенсоры подобного типа? На стеклянную подложку наносят слой золота толщиной около 50 нанометров. Если на золотой слой под определённым углом направить лазерный луч и детектировать отражённый сигнал, то можно зафиксировать условия плазмонного резонанса в тот момент, когда интенсивность отражённого луча резко уменьшится. Мы уже знаем, что резонанс очень сильно зависит от состояния поверхности материала. Если на поверхности закрепится некоторое количество молекул какого-либо вещества, это можно зафиксировать по изменению угла падения луча, для которого будет нарушаться закон полного внутреннего отражения. Однако если метод столь чувствителен к содержанию вещества, то как выделить из тысячи самых разных биологических молекул один-единственный интересный нам объект? Для этого следует так модифицировать поверхность металла, чтобы на него смогли осаждаться только нужные нам молекулы.
Это возможно сделать, если предварительно закрепить на поверхности определённые молекулы, которые будут «вылавливать» из раствора нужные вещества по принципу «ключ к замку». Тогда, если мы будем пропускать через такой биосенсор анализируемый раствор, зацепиться за «молекулы-замки» смогут только нужные нам молекулы, тем самым только они в результате зафиксируются на поверхности и изменят условия плазмонного резонанса. Таким образом мы получаем высокую чувствительность и селективность биосенсора. Уже существуют такие биосенсорные чипы — тонкие пластинки размером сантиметр на сантиметр, где осаждаются исследуемые образцы. Они делаются в основном из стекла с тонким слоем золота, покрытым, в свою очередь, слоем полимера — чаще всего это карбоксиметилированный декстран. Под чипом находится лазер, который возбуждает плазмонный резонанс, его характеристики считывает с отражённого луча фотодетектор.
Чувствительность биосенсора зависит от свойств поверхности — точнее, от того, сколько молекул исследуемого вещества сможет присоединиться к пластинке.
Руководитель разработки Юрий Стебунов и его коллеги создали и запатентовали принципиально новый тип таких биосенсоров с покрытием из оксида графена — материала, продемонстрировавшего большую эффективность. Исследователи нанесли «хлопья» оксида графена на стеклянную пластинку, покрытую слоем золота толщиной 35 нанометров. Затем на эту поверхность осадили слой из белка стрептавидина, который служил «ловушкой» для молекул, и проследили, как параметры плазмонного резонанса реагируют на присутствие сложных органических молекул — однониточных фрагментов ДНК. Как оказалось, сенсоры, в которых использовался оксид графена, в 3—4 раза чувствительнее сенсоров на чистом графене. Это значит, что новому чипу требуется в несколько раз меньше молекул, чтобы обнаружить в образце то или иное вещество. Кроме того, «оксидный» сенсор после несложной процедуры очистки можно использовать ещё несколько раз.
«С помощью разработанных нами биосенсоров мы можем проследить, как идёт та или иная химическая реакция, можем оценить её скорость, а значит, можем точно определить, как действует то или иное вещество на клетку, на болезнетворную бактерию, — говорит Юрий Стебунов. — Это значит, что в недалёком будущем предклинические испытания лекарств могут проводиться принципиально новым способом: чтобы точно предсказать действие препарата, достаточно будет проследить взаимодействие лекарственных препаратов с живой тканью прямо на биосенсоре. Это будет революция в создании новых лекарств».
Стебунов начал научные исследования графеновых биосенсоров в рамках магистерской диссертации, выполненной на кафедре технологического предпринимательства РОСНАНО-МФТИ, которая служит площадкой для реализации образовательного проекта «Межвузовская программа подготовки инженеров в сфере высоких технологий» (оператор — компания eNANO). Совместно с группой разработчиков компании BiOptix, первого иностранного стартапа, получившего инвестиции в Роснано, ему удалось не только сделать качественную научную работу, но также провести глубокий профессиональный анализ коммерческих перспектив развития технологии биосенсоров на основе графена и оксида графена.
Результаты работы опубликованы в журнале Американского химического общества «ACS. Applied Materials & Interfaces».
