Терагерцовый наноантенный сенсор для обнаружения биомаркера L-2-гидроксиглутарат создали научные сотрудники Лаборатории функциональной диагностики низкоразмерных структур для наноэлектроники Аналитического и технологического исследовательского центра «Высокие технологии и наноструктурированные материалы» Физического факультета Новосибирского государственного университета. L-2-гидроксиглутарат и его энантиомер («зеркальное отражение» молекулы вещества) D-2 гидроксиглутарат образуются в результате специфических изменений клеточного метаболизма при различных типах рака. В результате развития патологического процесса содержание биомаркеров в организме нарастает, и они накапливаются в пораженных органах и тканях, а также в крови онкобольных. Раннее обнаружение данного биомаркера и определение его концентрации в организме имеет решающее значение для выстраивания стратегии лечения и эффективности онкотерапии. Результаты своего исследования разработчики сенсора представили в статье «Терагерцовый наноантенный сенсор для обнаружения биомаркера L-2-гидроксиглутарат, оптимизация конструкции и тестирование» («Terahertz nanoantenna sensor for detection of biomarker L‑2‑Hydroxyglutarate, design optimization and testing»), опубликованной в журнале «Optical and Quantum Electronics».
— L-2-гидроксиглутарат играет важную роль во многих физиологических процессах и рассматривается, как биомаркер для различных типов онкологических заболеваний. Увеличение его уровня происходит в злокачественных опухолях головного мозга, поджелудочной железы, почек и других органов. Для правильной диагностики и прогнозирования течения заболевания необходимо знать, какова концентрация L-2-гидроксиглутарата в органах и тканях пациента. В этих целях в настоящее время применяются методы газовой и жидкостной хроматографии в сочетании с масс-спектрометрией для определения уровня этого биомаркера в сыворотке крови и спинномозговой жидкости. Эти методы требуют сложной пробоподготовки и дорогостоящего оборудования. Имеются и другие методы диагностики, направленные на обнаружение изменений состава крови, однако для них требуется длительное время и, как правило, их выполняют строго по врачебным показаниям. Некоторые заболевания длительное время развиваются скрытно, поэтому их своевременное выявление затруднено. Например, глиома — опухоль, поражающая глиальные клетки головного или спинного мозга, — нередко не дает о себе знать до определенного момента, проявляясь зачастую на поздних стадиях, когда терапия либо малоэффективна, либо вообще невозможна. Поэтому мы предприняли попытку разработать оптические системы, способные проводить экспресс-диагностику путем выявления превышения уровня концентрации L-2-гидроксиглутарата и D-2 гидроксиглутарата, а также изменения их соотношения. Наша разработка может позволить обнаруживать онкозаболевания на ранних стадиях и, следовательно, своевременно приступать к терапии, — рассказал кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лаборатории функциональной диагностики низкоразмерных структур для наноэлектроники АТИЦ ФФ НГУ, а также заведующий лабораторей терагерцовой фотоники ИАиЭ СО РАН Назар Николаев.
В работе по созданию новых оптических сенсоров был задействован коллектив из 6 ученых НГУ, Института автоматики и электрометрии СО РАН и Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН. Они ориентировались на исследования своих коллег из Китая, которые провели спектроскопию биомаркеров L-2-гидроксиглутарата и D-2 гидроксиглутарата и выяснили, что спектры данных изомеров в дальнем инфракрасном (терагерцовом) диапазоне различны. L-изомер обладает характерным пиком поглощения в окрестности частоты 1,337 ТГц, а D-изомер в окрестности 1,695 ТГц. Опираясь на эти данные, научные сотрудники лаборатории разработали новый тип оптического сенсора на основе терагерцовых наноантенн для обнаружения L-2-гидроксиглутарата в биологических образцах.
Устройство представляет собой массив золотых наноантенн на кремниевой подложке. Ученые НГУ провели электродинамические расчеты структуры сенсора и оптимизировали геометрические параметры для возбуждения в ней плазмонного резонанса на требуемой для данного биомаркера частоте – 1,337 ТГц. Изготовлен сенсор методом нанолитографии в Институте физики полупроводников СО РАН и охарактеризован с помощью метода сканирующей электронной микроскопии. в ЦКП “Спектроскопия и оптика” Института автоматики СО РАН проведены спектральные измерения и тестирование сенсора. Его спицефическая чувствительность к биомаркеру L-2-гидроксиглутарат была подтверждена экспериментально с помощью метода импульсной терагерцовой спектроскопии. Отслеживая поведение резонанса в спектре пропускания сенсора с ростом концентрации L-2-гидроксиглутарата, исследователи определили чувствительность сенсора. В ходе исследования были выявлены недостатки данного устройства и предложено решение по повышению его чувствительности и точности обнаружения уровня биомаркера.
— Сама по себе наноантенна — это простейший дипольный резонатор, при ее длине близкой к половине длины волны, она эффективно с взаимодействует с электромагнитной волной, энергия которой концентрируется на концах антенны. В нашем случае длина антенн приблизительно составляет 40 мкм. Приставка “нано” означает, что мы придвинули эти антенны концами друг к другу, и сделали минимально возможный зазор между ними. Он составляет около 100 нанометров. Перед группой Университета стояла задача оптимизировать размеры антенны, таким образом, чтобы увеличить напряженность поля с частотой 1,337 ТГц в нанозазоре. С повышением напряженности поля повышается и чувствительность сенсора. Сам дизайн сенсора не был новым, но инженерная задача его оптимизации для терагерцового диапазона частот была выполнена нами впервые. После тестирования мы выявили ключевые способы повышения чувствительности такого класса сенсоров, связанные с дальнейшим увеличением отношения сигнал/шум и повышением спектрального разрешения всей сенсорной системы, например, путем нанесения антиотражающего покрытия на обратную сторону сенсора или увеличения толщины его подложки, — объяснил Назар Николаев.
Ученые утверждают, что аналогичным образом возможно изготовить сенсор для обнаружения биомаркера D-2 гидроксиглутарата, обладающего резонансной частотой около 1,695 ТГц, и, совместив его с уже разработанным для биомаркера L-2-гидроксиглутарата, получить универсальное устройство, работающее по обнаружению количества обоих изомеров. Однако в процессе работы над данными устройствами они выявили ряд недостатков технического подхода с использованием наноантенн. Взаимодействующий с молекулой биомаркера плазмонный поверхностный резонанс является резонансом поглощения: взаимодействуя с электромагнитной волной, наноантенна поглощает энергию, и в соответствующей области спектра образуется провал. Чтобы оценить концентрацию биомаркера, необходимо исследовать изменения особенностей данного провала: амплитуду, смещение по частоте. И возникает проблема: из-за поглощения энергии в данной области снижается отношение сигнал/шум. Поэтому сильные шумы не позволяют достоверно определить наличие и концентрацию малого количества вещества. Стало очевидным, что такая конструкция, как наноантенны, не является оптимальным техническим решением. Учеными предложен другой подход к решению поставленной задачи, основанный на инверсной структуре, т.е. вместо тонких металлических полос (антенн) – щели. Металлическая поверхность сенсора должна быть цельной, в которой вырезаются наноразмерные щели. Данная структура должна иметь инверсный спектр — не поглощение энергии на рабочей частоте, а максимальное пропускание на заданной частоте и подавление остальных частот. Тогда будет достигнута оптимальная амплитуда сигнала и высокое отношение сигнал/шум, что позволит повысить точность диагностики. Теперь ученым предстоит воплотить результаты своих изысканий в новом устройстве. Они уже приступили к разработке нового сенсора, который будет лишен недостатков, выявленных у наноантенного сенсора. Работу над ним предполагается завершить уже в этом году.
— Мы предполагаем, что новый сенсор будет выдавать более достоверные результаты и низкие измерительные шумы. Если это подтвердится, мы сможем перейти к исследованиям не модельных растворов вещества, как на предыдущем этапе исследований, а уже сыворотки крови, которая представляет собой сложную биологическую жидкость. Таким образом мы сможем испытать наш сенсор обнаружения биомаркера L-2-гидроксиглутарата в условиях, близких к реальным. Потенциально, при благополучном исходе, наше устройство может быть востребовано в клинической диагностике. Однако сейчас для тестирования сенсора и обнаружения данного биомаркера мы используем дорогостоящие системы, обладающие широким спектральным диапазоном. Работать на таких лабораторных приборах могут только узкие специалисты, обладающие навыками настройки и обработки данных. Но поскольку в реальном практике требуется анализ только резонансной частоты, вся диагностическая система может быть упрощена путем переноса на более доступный одночастотный источник излучения. При дальнейшей разработке соответствующего программного обеспечения, пользоваться данной диагностической аппаратурой смогли бы медицинские работники без привлечения специалистов-физиков. Однако даже при условии, что наш новый сенсор окажется эффективным, на это потребуется не один год инженерно-конструкторских работ, а также прохождение процедуры сертификация прибора — сказал Назар Николаев.
.jpg "Астроном НГУ запечатлел комету 240P/NEAT и отколовшийся от нее фрагмент")
