Для диагностики заболеваний. В Новосибирске создают биосенсоры на основе графена

Ученые Новосибирского государственного университета создают биосенсоры на основе
графена для диагностики заболеваний. Данная разработка будет также полезна и для
других приложений — охлаждения чипов в микроэлектронике и систем струйной
печати водными растворами при формировании активных чувствительных слоев
в биологических сенсорах.

Научные сотрудники лаборатории физических основ энергетики Физического
факультета НГУ работают над созданием прототипов сенсоров, позволяющих
оценивать состав капли биологической жидкости по динамике ее испарения.

Основные работы проводятся силами студентов и аспирантов различных
факультетов. К исследованиям также привлечены ученые других подразделений и
научных организаций: эксперименты проводятся в лаборатории синтеза новых
материалов института теплофизики СО РАН, а моделирование — в Центре новых
функциональных материалов НГУ. Работы проводятся в рамках гранта РНФ «Развитие
научных основ создания биосенсоров на базе графена» (грант №23-29-00260). По
результатам исследований было выпущено несколько публикаций.

Графен — это одноатомный слой графита. Является идеальным кандидатом 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. Являясь
двумерным материалом, графен автоматически обеспечивает компактность
создаваемого датчика, а, учитывая его упругость, и гибкого датчика. Кроме того, графен
может быть функционализирован различными способами, что может помочь достигнуть
высокой селективности создаваемых устройств.

— В настоящее время различные устройства стремительно «умнеют». Появляются
различные роботы, беспилотники, технологии для умного дома и многое другое. Для
адекватного взаимодействия с окружающим миром подобным устройствам
необходимо иметь электронные органы чувств: осязание, слух, обоняние и вкус. Можно
сказать, что в настоящее время 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.
Количество потенциальных различных приложений здесь достаточно велико.
Непосредственно текущие исследования лежат в подобласти анализа состава и
динамики высыхающих капель. Уже сейчас существуют работы, в которых по анализу
структуры осадков высохших капель 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, — рассказал руководитель проекта, старший
научный сотрудник кафедры физики неравновесных процессов Физического факультета
НГУ, кандидат физико-математических наук Владимир Андрющенко.

Для достижения данной цели ученые проводят комплексное экспериментально-
теоретическое исследование. В эксперименте исследуется динамика испарения капель
на различных подложках, покрытых графеном. При моделировании соответствующей
системы методом молекулярной динамики основной акцент делается на установлении
основных механизмов, влияющих на исследуемый процесс.

— В нашей группе отработаны методики CVD синтеза графена, переноса на
различные подложки, анализа структуры поверхностей. Относительно недавно нами
было показано, что графен существенно меняет проводимость при контакте с водой.
Более того, оказалось, что графен также чувствителен не только к присутствию
жидкости, но и к наличию ее потока. Поэтому естественным предположением было
наличие подобного эффекта и для испаряющихся капель. Основной вопрос на первом
этапе заключался в том, достаточно ли чувствителен графеновый датчик для
определения изменений, характерных для испаряющихся капель. Забегая вперед,
скажу, что да, наши предположения подтвердились. Кроме того, у нашей группы есть
существенный опыт молекулярно-динамического моделирования, в том числе и
биологических систем, что может существенно помочь нам разобраться в физике
изучаемых процессов, — пояснил Владимир Андрющенко.

Ученым, задействованным в проекте, уже удалось добиться определенных результатов.
Прежде всего, ими показано наличие достаточной чувствительности сенсора к динамике
испарения капли. Для простейших случаев установлены воспроизводимые зависимости
проводимости от геометрических параметров капли. Однако руководитель проекта
считает, что впереди у коллектива бесконечно 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 компонент и т.д. В перспективе их усилия будут
направлены на создание рабочего датчика с максимальной чувствительностью и
селективностью к составу контактирующей с ним жидкости. Однако, Владимир
Андрющенко подчеркнул, что это не является целью текущего проекта. На данном этапе
необходимо приблизительно оценить диапазон применимости текущих датчиков и
продолжить разбираться в молекулярных механизмах ответственных за их
функционирование.

— Сама по себе актуальность создания электронного «языка» очевидна. Однако
объективные сложности в изучении и создании данной системы не позволяют достичь
существенных продвижений в данной области. К основным проблемам можно отнести
одновременное обеспечение достаточной чувствительности, селективности и
компактности создаваемых сенсоров. Данное обстоятельство обусловлено в
коллективном взаимодействии всех молекул жидкости с создаваемыми устройствами.
Продемонстрированная нашим коллективом принципиальная работоспособность
подобных датчиков позволяет нам находиться на уровне передовых исследований, —
сказал Владимир Андрющенко.

Изображение предоставлено НГУ