Principio del sensor. Crédito:Dmitry Fedyanin y Yury Stebunov
Dos jóvenes investigadores que trabajan en el Laboratorio de Nanoóptica y Plasmónica del MIPT, Dmitry Fedyanin y Yury Stebunov, han desarrollado un ultracompacto, sensor nanomecánico de alta sensibilidad para analizar la composición química de sustancias y detectar objetos biológicos, como marcadores de enfermedades virales, que aparecen cuando el sistema inmunológico responde a enfermedades incurables o difíciles de curar, incluido el VIH, hepatitis, herpes, y muchos otros. El sensor permitirá a los médicos identificar marcadores tumorales, cuya presencia en el cuerpo señala la aparición y el crecimiento de tumores cancerosos.
La sensibilidad del nuevo dispositivo se caracteriza mejor por una característica clave:según sus desarrolladores, el sensor puede rastrear cambios de unos pocos kilodaltons en la masa de un voladizo en tiempo real. Un Dalton es aproximadamente la masa de un protón o neutrón, y varios miles de Dalton son la masa de proteínas individuales y moléculas de ADN. Por tanto, el nuevo sensor óptico permitirá diagnosticar enfermedades mucho antes de que puedan ser detectadas por cualquier otro método. que allanará el camino para una nueva generación de diagnósticos.
El dispositivo, descrito en un artículo publicado en la revista Informes científicos , es un óptico o, más precisamente, chip optomecánico. "Hemos estado siguiendo el progreso realizado en el desarrollo de biosensores micro y nanomecánicos durante bastante tiempo, y puedo decir que nadie ha podido introducir una tecnología simple y escalable para monitoreo paralelo que estaría lista para usarse fuera de un laboratorio. Así que nuestro objetivo no era solo lograr la alta sensibilidad del sensor y hacerlo compacto, pero también hacerlo escalable y compatible con tecnologías microelectrónicas estándar, ", dijeron los investigadores.
A diferencia de dispositivos similares, el nuevo sensor no tiene uniones complejas y se puede producir mediante una tecnología de proceso CMOS estándar utilizada en microelectrónica. El sensor no tiene un solo circuito, y su diseño es muy sencillo. Consta de dos partes:una guía de nano ondas fotónicas (o plasmónicas) para controlar la señal óptica, y un voladizo que cuelga sobre la guía de ondas.
Ejemplo de flotante y fijo en un extremo de la viga:un diapasón. La frecuencia de oscilación del diapasón depende del tamaño y las propiedades del material.
Un voladizo o haz, es una tira larga y delgada de dimensiones microscópicas (5 micrómetros de largo, 1 micrómetro de ancho y 90 nanómetros de espesor), conectado firmemente a un chip. Para tener una idea de cómo funciona, imagínese presionando un extremo de una regla firmemente contra el borde de una mesa y permitiendo que el otro extremo cuelgue libremente en el aire. Si rompe el extremo libre con la otra mano, la regla hará oscilaciones mecánicas a una cierta frecuencia. Así funciona el voladizo. La diferencia entre las oscilaciones de la regla y el voladizo es solo la frecuencia, que depende de los materiales y la geometría:mientras que la regla oscila a varias decenas de hercios, la frecuencia de las oscilaciones del voladizo se mide en megahercios. En otras palabras, hace algunos millones de oscilaciones por segundo.
Hay dos señales ópticas que atraviesan la guía de ondas durante las oscilaciones:la primera pone el voladizo en movimiento, y el segundo permite leer la señal que contiene información sobre el movimiento. El campo electromagnético no homogéneo del modo óptico de la señal de control transmite un momento dipolar al voladizo, impactando el dipolo al mismo tiempo para que el voladizo comience a oscilar.
La señal de control modulada sinusoidalmente hace que el voladizo oscile a una amplitud de hasta 20 nanómetros. Las oscilaciones determinan los parámetros de la segunda señal, cuya potencia de salida depende de la posición del voladizo.
La luz confinada en un resonador se reflejará varias veces desde los espejos, y debido a los efectos de la interferencia, solo ciertos patrones y frecuencias de radiación serán sostenidos por el resonador, con los otros reprimidos por interferencia destructiva. En general, Los patrones de radiación que se reproducen en cada viaje de ida y vuelta de la luz a través del resonador son los más estables. y estos son los modos propios, conocido como los modos, del resonador.
Los modos ópticos altamente localizados de las guías de nanoondas, que crean un fuerte gradiente de intensidad de campo eléctrico, son clave para inducir oscilaciones en voladizo. Debido a que los cambios del campo electromagnético en tales sistemas se miden en decenas de nanómetros, los investigadores utilizan el término "nanofotónica". Sin la guía de ondas a nanoescala y el voladizo, el chip simplemente no funcionaría. No se puede hacer que un gran voladizo oscile propagando libremente la luz, y los efectos de los cambios químicos en su superficie sobre la frecuencia de oscilación serían menos notables.
Las oscilaciones en voladizo permiten determinar la composición química del entorno en el que se coloca el chip. Eso es porque la frecuencia de las vibraciones mecánicas depende no solo de las dimensiones y propiedades de los materiales, sino también en la masa del sistema oscilatorio, que cambia durante una reacción química entre el voladizo y el medio ambiente. Colocando diferentes reactivos en el voladizo, los investigadores lo hacen reaccionar con sustancias específicas o incluso con objetos biológicos. Si coloca anticuerpos contra ciertos virus en el voladizo, capturará las partículas virales en el entorno analizado. Las oscilaciones ocurrirán en una amplitud menor o mayor dependiendo del virus o la capa de sustancias químicamente reactivas en el voladizo, y la onda electromagnética que pasa a través de la guía de ondas será dispersada por el voladizo de manera diferente, que se puede ver en los cambios de intensidad de la señal de lectura.
Los cálculos realizados por los investigadores mostraron que el nuevo sensor combinará una alta sensibilidad con una relativa facilidad de producción y dimensiones en miniatura. permitiendo su uso en todos los dispositivos portátiles, como teléfonos inteligentes, electrónica portátil, etc. Un chip, varios milímetros de tamaño, puede acomodar varios miles de sensores de este tipo, configurado para detectar diferentes partículas o moléculas. El precio, gracias a la sencillez del diseño, probablemente dependerá de la cantidad de sensores, siendo mucho más asequible que sus competidores.
