Главную опасность в экологии и медицине представляют невидимые наночастицы. С одной стороны, это микропластик, который находят даже в крови человека: он вызывает хроническое воспаление и провоцирует рак. С другой — биологические маркеры, сигнализирующие об опухоли задолго до того, как ее увидит томограф. Обнаружить их можно с помощью флуоресцентной корреляционной спектроскопии — метода, видящего единичные молекулы. Но оборудование для него громоздкое, стоит миллионы рублей и привязано к лаборатории. Пока пробу везут, частицы оседают, слипаются или разрушаются. А раковые маркеры разлагаются за полчаса транспортировки. В итоге исследователь получает искаженные данные. Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха вместе с коллегами из Московского центра передовых исследований, МГУ, Российского квантового центра и южнокорейского Университета Сонгюнгван создали первый в мире компактный прибор на оптоволокне и металинзе. Он обнаруживает единичные наночастицы прямо на месте отбора пробы с точностью до 90%.
Статья опубликована в журнале «Advanced Optical Materials», 2026 г.
Проблема обнаружения наночастиц — одна из самых острых в современной экологии и медицине. Главную опасность представляют невидимые глазу фрагменты размером менее 5 микрон (это примерно в 20 раз тоньше листа бумаги). Речь идет о двух разных, но одинаково серьезных угрозах. С одной стороны, это микропластик — ученые находят его даже в крови человека. Попадая в организм, он вызывает хроническое воспаление, повреждает клетки и может провоцировать онкологические и аутоиммунные заболевания (когда иммунитет атакует собственный организм).
С другой стороны, это мельчайшие биологические маркеры — например, внеклеточные везикулы (микроскопические пузырьки, которые клетки выделяют в кровь). Они переносят сигналы о зарождении раковой опухоли задолго до того, как ее можно увидеть на томографе — специальном аппарате для получения снимков внутренних органов. Если научиться их ловить, то рак можно диагностировать на самой ранней стадии, когда лечение наиболее эффективно.
И в том, и в другом случае задача одна — вовремя обнаружить опасность. Сегодня для этого используют флуоресцентную корреляционную спектроскопию — метод, при котором частицы заставляют светиться под лазером, а затем по их движению определяют размер и количество.
Это точный способ, который позволяет увидеть даже единичные молекулы. Но у него есть серьезный недостаток: все необходимое оборудование очень громоздкое, стоит миллионы рублей и привязано к одному месту. Поэтому на практике берут пробу воды или крови, везут в лабораторию и проверяют там. Проблема в том, что с наночастицами такой подход дает неточные результаты. Пока образец транспортируется, частицы оседают на стенках пробирки, слипаются друг с другом, разрушаются под действием света. В лабораторию попадает уже не тот материал, который был в реке или в крови пациента. А если речь идет о раковых маркерах, они могут разложиться за полчаса транспортировки. Поэтому специалистам нужен прибор, который работает прямо на месте отбора пробы.
Именно для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из Московского центра передовых исследований, Российского квантового центра, МГУ и южнокорейского Университета Сонгюнгван разработали первый в мире компактный прибор на основе оптоволокна и металинзы, способный обнаруживать единичные наночастицы прямо на месте отбора пробы с точностью до 90%.
Устройство представляет собой оптоволоконный кабель — такой же, как для интернета, — на торец которого нанесена металинза. Это сверхтонкая пластинка, состоящая из миллионов крошечных кремниевых столбиков, каждый из которых работает как миниатюрная антенна для света (то есть улавливает и перенаправляет световые волны). Перед анализом наночастицы обрабатывают специальным красителем, который заставляет их светиться под лазером. Затем луч направляют по кабелю, металинза сжимает его в одну маленькую точку. Когда лазерный импульс попадает на обработанный объект, он начинает испускать ответный сигнал, который улавливается тем же кабелем и передается обратно на компьютер.
Чтобы проверить, насколько эффективно работает такая схема, ученые провели серию экспериментов. Они использовали специальные светящиеся пластиковые частицы разного размера — от самых маленьких до крупных, а также отдельные молекулы белка.
— Прибор уверенно обнаруживал все эти объекты. Он справлялся даже в сверхнизких концентрациях — когда на литр воды или крови приходилось всего несколько сотен миллионов частиц. Это как найти иголку в стоге сена. Ключевое открытие: мы подобрали оптимальную толщину оптоволокна — 50 микрон. Это примерно половина толщины человеческого волоса. Слишком тонкое волокно почти не собирает сигнал, слишком толстое размывает фокус и теряет чувствительность к мелким частицам, — рассказал Александр Сюй, профессор кафедры общей физики ПНИПУ, доктор физико-математических наук.
Александр Сюй
Прибор полностью умещается на ладони, не требует сложной настройки и устойчив к вибрациям. Ученые проверили это на практике: они брали конструкцию в руку, переносили по комнате, сгибали оптоволоконный кабель — и во всех случаях результаты оставались стабильными. При сравнении с измерениями на обычном лабораторном микроскопе точность прибора составила 85–90%. То есть, он правильно определял, сколько именно наночастиц содержится в образце. Даже когда исследователи проходили с прибором несколько метров, сигнал не искажался. Это значит, что устройство можно использовать в полевых условиях — на берегу реки, на заводе, в машине скорой помощи — без потери качества анализа.
Следовательно, разработка ученых в будущем позволит не просто констатировать наличие загрязнения или болезни, а делать это мгновенно и на месте — без потери времени и без искажения результатов. Для экологов это означает возможность оперативно реагировать на разливы пластика и находить источники загрязнения. Для врачей — проводить первичный скрининг пациентов в машине скорой помощи или в районной поликлинике, не дожидаясь дорогостоящего лабораторного анализа.
Источник: Минобрнауки России
