|
Микролазеры видят отдельные молекулы и ионы
|
|
|
|
Ученые создали первые микролазеры, способные обнаруживать отдельные молекулы и даже отдельные атомарные ионы, что является прорывом, который может значительно продвинуть раннюю диагностику заболеваний и медицинское тестирование на молекулярном уровне. Исследователи из Института живых систем Университета Эксетера опубликовали свою работу в журнале Nature Photonics. Статья раскрывает новые возможности технологии микролазерного биосенсорирования, включая технологию "лаборатория на чипе", позволяющую проводить мгновенное медицинское тестирование и диагностику.
|
|
|
|
Микролазеры представляют собой крошечные стеклянные шарики размером от 0,1 мм (толщина человеческого волоса) до 0,01 мм (длина одной бактерии). Благодаря центральному углублению, которое действует как крошечное зеркало, они излучают и отражают свет, совершая круговые движения вокруг шарика. Такая круговая траектория улавливаемого света известна как лазерная технология в режиме шепчущей галереи (WGM).
|
|
|
|
Свет непрерывно циркулирует по внутренней границе сферы, позволяя устройству обнаруживать мельчайшие возмущения на ее поверхности. Предыдущие исследования показали, что такие микролазеры можно вставлять даже в живые клетки, действуя как оптические штрих-коды для отслеживания перемещения клеток внутри организмов.
|
|
|
|
|
|
|
Ранняя диагностика и анализ белков
|
|
|
|
Физик, профессор Фрэнк Фоллмер из Института живых систем Университета Эксетера, руководил работой. Он сказал: "Впервые мы создали микролазеры, способные обнаруживать материалы меньшего размера, чем когда—либо прежде, - в масштабе отдельных атомов и молекул. Это захватывающая инновация, поскольку она приближает нас к новому поколению лабораторных устройств на чипе, которые могут диагностировать такие заболевания, как рак или слабоумие, на ранней стадии и использоваться для быстрого тестирования вирусов.
|
|
|
|
"Это также могло бы позволить нам обнаруживать небольшие структурные изменения в белках, например, связанные с активностью ферментов и передачей белковых сигналов, на что в настоящее время не способна ни одна технология. Такой прогресс означал бы огромный скачок в нашем понимании механизмов, лежащих в основе таких процессов, как развитие заболеваний".
|
|
|
|
Повышение чувствительности с помощью наностержней и света
|
|
|
|
Исследовательская группа использовала ряд различных методов для улучшения чувствительности лазеров к ионам, состоящим из одной молекулы и даже одного атома. Сам микролазер обладает высокой точностью и способен регистрировать мельчайшие изменения в циркулирующем внутри него свете. Затем исследователи добавили на поверхность золотые наностержни, которые концентрируют свет в крошечных нанометровых "горячих точках", сжимая его до размеров молекул и усиливая эффект связывания одной молекулы или иона.
|
|
|
|
Наконец, они использовали метод, называемый самогетеродинным обнаружением биений. Когда молекула или ион связывается в одной из таких горячих точек нанометрового масштаба, это слегка изменяет частоту биений, генерируемую лазерными волнами внутри сферы, направленными по часовой стрелке и против часовой стрелки. Вместо непосредственного измерения едва заметного изменения освещенности, система обнаруживает это незначительное изменение частоты.
|
|
Множество сигналов для надежного обнаружения
|
|
|
|
Отслеживая несколько лазерных сигналов одновременно, исследователи могут подтвердить активность событий, связанных с одной молекулой, по нескольким сигналам. Это повышает надежность системы и усиливает ее способность обнаруживать и проверять молекулярные взаимодействия с высокой степенью достоверности.
|
|
|
|
Работой руководил Институт живых систем Университета Эксетера. Соавтор исследования доктор Самир Вартаби Кашанян сказал: "Институт живых систем объединяет физиков, биологов и химиков под одной крышей. Эта стимулирующая междисциплинарная среда позволяет нам преодолевать границы между физикой, химией и биологией, что необходимо для воплощения достижений оптической физики в практические приложения для биосенсорики".
|
|
|
|
Источник
|
