Миниатюрные нанопроволочные датчики "учатся" решать все новые и новые задачи в области биологии.

Рис.1. Схема действия нанопроволочного pH-метра.

Идея полупроводникового нанопроволочного сенсора очень проста – сопротивление цилиндрика из полупроводника (например, p - Si с диаметров 10 - 50 нм) чрезвычайно сильно зависит от того, сколько и каких заряженных частиц осело на поверхность плёнки SiO_x, неизбежно формируемой на кремниевой нанопроволоке на воздухе. Химики уже давно научились таким образом "очувствлять" (или, в терминологии химиков, "функционализировать") поверхность SiO₂, что после обработки на неё адсорбируется только то, что нужно, а что не нужно – не прилипает. К примеру, простейший сенсор – это тот, который реагирует на рН (кислотность) среды. У чистой воды рН = 7, а у воды "нечистой" pH отличается от 7. Что за вещества (кислоты или щелочи) и в каком количестве содержатся в воде, можно определить по отклонению рН от семёрки.

Если поверхность кремниевого нанопроволочного сенсора (с двумя омическими контактами по краям) покрыть 3-аминопропил-этоксисиланом (АПТЭС), то мы получим сверхминиатюрный рН - датчик (см. рис.1). Дело в том, что АПТЭС покрывает поверхность SiO₂ плёнкой толщиной всего в один монослой (так называемый самоорганизованный монослой) с торчащими наружу группами NH₂. В зависимости от кислотности среды эти группы могут или отдавать один протон или, наоборот, присоединять его из раствора, т.е. заряжаться, что незамедлительно сказывается на кондактансе ( I/U ) сенсора. Причём при каждом изменении кислотности среды наносенсор скачком меняет своё сопротивление.

Рис.2. Нанонопроволчный сенсор для белков: а) наглядная схема – модифицированная кремниевая нанопроволока (слева) и присоединенный к ней стрептовидин (справа); b) изменение кондактанса при адсобции 250 нМ стрептовидина на функционализированную SiOx- оболочку кремниевой нанопроволоки из n -фемтомолярного раствора (n > 10) протеина; с) немодифицированная кремниевая нанопроволока: нет протеина – нет и реакции; d) при пропускании над сенсором буферного раствора; e ) при адсорбции 25 нМ стрептовидина ( n =10).

Если нужно детектировать не просто кислотность, а конкретный белок (например, стрептовидин), то поверхность нанопроволочного сенсора следует покрыть бычьим альбумином, меченным биотинамидокапроилом, который является селективным рецептором для стрептовидина. А дальше можно действовать по той же схеме (рис. 2). Присевший на функционализированную поверхность SiO₂ стрептовидин меняет заряд на этой поверхности, а значит и кондактанс нанопроволоки. Поэтому для определения этого конкретного протеина помимо наносенсора достаточно иметь батарейку, вольтметр и амперметр.

Подобные нанопроволочные сенсоры можно использовать для детектирования множества жизненно важных веществ и соединений. Например, метаболические процессы (деление-рост-развитие) в любых клетках человека напрямую зависят от концентрации двухвалентных ионов кальция (Ca²⁺), которые входят в состав оболочки любой клетки. Кремниевые нанопроволоки способны прекрасно реагировать на концентрацию этого жизненно важного иона. Одним из важнейших объектов в биологии является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), в двойной спирали которой посредством всего четырёх оснований (аденин, тимин, гуанин и цитозин) записан генетический код живых организмов. Сенсор, который может детектировать последовательность этих оснований в ДНК, это, возможно, наиболее важный для медицины сенсор. Кремниевые нанопроволоки с успехом справляются и с такой задачей. Наконец, нолезны кремниевые нанопроволоки и при диагностике вирусных заболеваний. Так креминиевый наносенсор даёт вполне измеримый сигнал даже, если на него попал всего один вирус гриппа A (рис.3).

Рис.3. Схема детектирования одиночного вируса. Показаны два нанопроволочных прибора (1 и 2), модифицированные различными рецепторами. Дальняя (красная) НП «очувствлена» для захвата вируса гриппа А, а ближняя (синяя)– нет. Графики справа показывают, как Si-НП реагируют на адсорбцию и десорбцию одиночного вируса.

Размеры наносенсоров таковы, что несложно создать многофункциональные датчики, сочетающие множество отдельных сенсоров, настроенных на определенные типы возбудителей заболеваний, "в одном флаконе". Поскольку речь идёт о нанопроволоках, то 1000 -10000 таких сенсоров могут разместиться (вместе с контактами, которые, на самом деле и занимают наибольшую площадь) в устройстве размером со спичечную головку. Далее на мультинанопроволочный сенсор помещается капля крови (или пота, или слюны, или мочи) и через секунду компьютер бесстрастно расскажет о попавших в организм возмутителях спокойствия. Это вполне обозримое будущее полупроводниковой нанопроволочной сенсорики; по некоторым прогнозам к 2010 году рынок нанотехнологических изделий только для биомедицинских применений составит 3.4 млрд. долл.

Источник информации - заметка С.Чикичева в бюллетене ПерсТ, выпуск 15/16 за 2005 г.