Ученые создали сверхточный датчик, определяющий концентрацию глюкозы в крови. Чувствительный элемент сенсора -- палладиево-золотые кубики, закрепленные на нанотрубках. Устройство может почувствовать как следы сахара, так и его передозировку, что делает измеритель практически универсальным.
Интерес ученых к углеродным нанотрубкам в последнее время несколько спал. Однако все равно остается достаточно высоким. Наиболее перспективны они, по общему мнению, в качестве элементов наноэлектросхем. Впрочем, иногда публикуются довольно интересные исследования, посвященные другим возможностям нанотрубок.
Приготовление основы
Ученые из университета Пердью выращивали нанотрубки собственным разработанным ранее методом. Для этого они использовали слой алюминия толщиной 100 нм на подложке из кремния, покрытой титаном. Затем с помощью электрического поля пленку алюминия анодировали, то есть превращали из металла в оксид. При анодировании в пленке образуются каналы толщиной около 20 нм. Такой материал называют пористым анодированным алюминием и часто используют в качестве темплата, то есть формы для получения нанотрубок или нановолокон.
После приготовления темплата в его каналы загонялась газовая смесь из водорода и метана. Которая, в свою очередь, после обработки микроволновым излучением превращалась в одностенные углеродные нанотрубки. Причем длинные, значительно превышающие по длине каналы, в которых они образовались. Процесс можно сравнить с выпечкой булочек-маффинов, когда тесто вылезает из формочек и вырастает «шапочка». Правда, у нанотрубок в отличие от маффинов «шапочек» нет: они сохраняют свой диаметр постоянным – около 2 нм на протяжении всей длины.
Затем с помощью электролитического осаждения на структуру наносили палладий. Он осаждался на проводящую поверхность, то есть на дно каналов, упирающееся в титановую пленку. Так палладий приклеивал нанотрубки ко дну каналов, обеспечивая электрический контакт. Кроме титановой поверхности палладий осаждался и на нанотрубки. Зародыши кристалликов палладия образовывались на дефектах нанотрубок и вырастали в кубические кристаллики с гранью около 100 нм.
В заключение на систему также электрохимическим методом осаждали золото, которое покрывало тонкой пленкой палладиевые кубики. Ну и дно каналов – избежать этого было невозможно. Впрочем, напыление совершенно не мешало ученым. Золотое покрытие на кубики наносили не для красоты. Золото – инертный металл, оно не взаимодействует с биосредами и не изменяет их свойств. При этом на золото можно осаждать некоторые функциональные белки, что и стало следующим этапом работы.
Функционализация
Чтобы полученная система могла работать как сенсор, в нее необходимо ввести чувствительные элементы – белки. Сначала на золотую поверхность нанокубиков нанесли стрептавидин, а затем биотин. Первый лучше садится на золото. А если использовать его в комплексе с флюоресцентной меткой, то можно легко увидеть, где именно он располагается. К тому же стрептавидин обладает высокой степенью «сродства» с биотином, который повсеместно используется для биологических исследований в качестве чувствительного элемента. Ученые часто сравнивают эти белки с кубиками Lego, которые очень плотно соединяются друг с другом.
C помощью биотина ученые проверили сенсорные возможности своего нового устройства на примере перекиси водорода. Оказалось, что оно прекрасно работает и чувствует совсем небольшие концентрации пероксида. Однако если при взаимодействии с перекисью биотин посылает электрический сигнал, то с глюкозой или другими веществами, интересующими медиков, он не реагирует.
Поэтому вместо связки стрептавидин--биотин ученые «усадили» на золото сначала белок тиол, а затем специальный энзим – глюкозоксидазу, -- который окисляет глюкозу. И эту химическую реакцию можно использовать для работы электрохимического сенсора.
Характеристики сенсора ученых порадовали. Он имеет превосходную точность, сравнимую с другими сенсорами. Но при этом у него есть и преимущества. Во-первых, его предел чувствительности как минимум в пять раз ниже, чем у аналогов. То есть он может почувствовать очень маленькие концентрации. При этом с высокой точностью может чувствовать и большие концентрации. Ученые называют такие свойства широким диапазоном чувствительности. Это очень важное свойство, благодаря ему данное устройство может стать универсальным, то есть применяться в самых разных случаях. Ведь даже содержание глюкозы в организме сильно разнится. «В зависимости от того, где именно в теле вы должны определить глюкозу, вам придется определять совсем разные концентрации. Например, в артериях, или в тонкой кишке, или в мышцах концентрация глюкозы различается очень значительно», -- говорит участник исследования доцент университета Пердью Маршалл Портерфилд (Marshall Porterfield). Ее коллега профессор Тимоти Фишер (Timothy Fisher) считает, что сам дизайн устройства просто идеально подходит для применения в качестве датчика.
Исследователи планируют заменить белково-энзимную пару другими функциональными биомолекулярными элементами. Возможно, что по тому же принципу можно будет создать чувствительные датчики алкоголя в крови. А используя, например, энзимы, изменяющиеся под воздействием нейронных сигналов, можно изучать работу мозга и нервной системы.
Работа группы исследователей из университета Пердью опубликована в журнале Nano Американского химического общества. Редакция даже поместила одну из фотографий датчика на обложку январского номера. Исследование подробно описано и в пресс-релизе на сайте университета.
