Исследователи создали сверхчувствительный биосенсор, который может открыть новые возможности для раннего выявления рака и «персонализированной медицины», приспособленной к специфике биохимии отдельных пациентов.
Устройство, которое может быть в несколько сотен раз более чувствительным, чем другие биосенсоры, сочетает в себе свойства двух совершенно разных типов датчиков, сказал Мухаммед А. Алам, профессор электротехники и вычислительной техники Университета Пердью.
«По отдельности оба этих типа биосенсоров имеют ограниченную чувствительность, но когда вы объединяете их, вы получаете нечто лучшее, чем любой из них», - сказал он.
Выводы подробно изложены в статье, опубликованной 14 мая в Proceedings of the National Academy of Sciences. Статья была написана аспирантом Purdue Анкитом Джейном, Аламом и Прадипом Р. Наиром, бывшим докторантом Purdue, который сейчас является преподавателем Индийского технологического института в Бомбее.
Устройство, называемое биосенсором Flexure-FET, сочетает в себе механический датчик, который идентифицирует биомолекулу на основе ее массы или размера, с электрическим датчиком, который идентифицирует молекулы на основе их электрического заряда. Новый датчик обнаруживает как заряженные, так и незаряженные биомолекулы, что позволяет использовать его в более широком диапазоне, чем датчик любого типа по отдельности.
Датчик имеет два возможных применения: персонализированная медицина, в которой регистрируется список белков и ДНК для отдельных пациентов, чтобы принимать более точные решения по диагностике и лечению; раннее выявление рака и других заболеваний.
В ранней диагностике рака датчик позволяет обнаруживать небольшие количества фрагментов ДНК и белков, деформированных раком, задолго до того, как болезнь становится видимой с помощью визуализации или других методов, сказал Алам.
Механическая часть датчика представляет собой вибрирующий кантилевер, кусочек кремния, напоминающий крошечную доску для прыжков в воду. Под консолью находится транзистор, который является электрической частью датчика.
В других механических биосенсорах лазер измеряет частоту вибрации или отклонение кантилевера, которое изменяется в зависимости от того, какой тип биомолекулы попадает на кантилевер. Вместо лазера новый датчик использует транзистор для измерения вибрации или отклонения.
Датчик максимизирует чувствительность, помещая кантилевер и транзистор в «смещение». Кантилевер смещается с помощью электрического поля, чтобы тянуть его вниз, как если бы он был невидимой струной.
"Это предварительное изгибание значительно увеличивает чувствительность", сказал Джайн.
Транзистор смещается за счет подачи напряжения, что также увеличивает его производительность.
«Вы можете сделать устройство чувствительным практически к любой молекуле, если правильно настроите датчик», - сказал Алам.
Ключевым нововведением является устранение компонента, называемого «референтным электродом», который требуется для обычных электрических биосенсоров, но не может быть миниатюризирован, что ограничивает практическое применение.
«Устранение необходимости в эталонном электроде позволяет миниатюризировать его и делает возможным недорогие приложения в пунктах оказания медицинской помощи в кабинетах врачей», - сказал Алам..
Заявка на патент США была подана на концепцию.
Работа финансировалась Министерством обороны США, Министерством энергетики США, Национальным институтом здравоохранения - центром PRISM в Парке открытий Пердью и Консорциумом исследований полупроводников через центр MSD в Массачусетском технологическом институте.