Выбор материала для биосенсоров — непростая задача. Важно сочетание таких качеств, как высокая чувствительность материала к исследуемому объекту, селективность, нетоксичность биоматериала, биосовместимость.
Фото: Коммерсантъ / Юрий Мартьянов / купить фото
Фото: flickr.com/oldTor
Успехи нанотехнологий позволили поднять биосенсорику на качественно новый уровень. Биосенсоры на основе наноматериалов (нанобиосенсоры) могут проводить комплексный анализ быстро, с высокой чувствительностью и избирательностью. Одним из перспективных для биосенсорики наноматериалов стал пористый кремний. Пористый кремний представляет собой некоторый объем монокристалла кремния, в котором методом травления сформировано множество мельчайших отверстий — пор.
Схематичное изображение пористого кремния и его изображение с растрового электронного микроскопа
Схематичное изображение пористого кремния и его изображение с растрового электронного микроскопа
Созданная за счет этого развитая химически активная поверхность пористого кремния с большим количеством нанокристалликов на стенках пор делает его очень перспективным для использования в качестве чувствительного материала биосенсора. Пористый кремний обладает биосовместимостью: в зависимости от степени пористости он может быть и биорезистивным, то есть никак не взаимодействовать с тканями организма, и биорезорбируемым, то есть постепенно полностью растворяться, при этом продукты растворения пористого кремния для человека нетоксичны.
При создании биосенсоров на основе пористого кремния перспективно использовать тот факт, что его электрические свойства сильно зависят от попавших в поры веществ. Это связано в первую очередь с наличием нанокристаллов на стенках пор, электронная структура которых очень чувствительна к присутствию примесей в порах. Отсюда возникает возможность детектирования веществ по изменению электрических свойств пористого кремния.
В Самарском университете группа молодых исследователей занимается проблемой создания на основе пористого кремния неинвазивного глюкометра, то есть прибора, измеряющего уровень сахара в крови человека без проколов. Эта проблема весьма актуальна для современного мира, где количество больных сахарным диабетом увеличилось в 4,5 раза за последние 30 лет и составляет более 6% населения планеты — около 463 млн человек! Сахарным диабетом первого типа, при котором уровень сахара в крови надо измерять несколько раз в день, болеют почти 220 тыс. человек.
Учеными доказано, что уровень сахара в крови человека влияет на состав всех жидкостей тела — слюны, слезы, пота и т. д. А значит, его можно измерять по изменению состава этих жидкостей, не обязательно непосредственно в крови, то есть без прокола кожи. Например, зарегистрированный в США прибор Glucowatch представляет собой часы, измеряющие электрическое сопротивление выделяемого кожей пота, которое коррелирует с содержанием глюкозы в крови. Ученые Хьюстонского университета изобрели контактные линзы из золотых наноструктур, анализирующие химический состав слез пациента. На подобных принципах основано действие большинства предлагаемых в настоящее время неинвазивных глюкометров.
К сожалению, пока все они уступают по своим характеристикам обычным инвазивным приборам, требующим прокола, не достигнуто пока такого же оптимального соотношения точности, миниатюрности и доступности (цены). Портативные и достаточно точные неинвазивные глюкометры представляют собой очень сложные и дорогие устройства. Например, прибор, разработанный корейскими учеными,— это целая электронная схема, встроенная в контактную линзу, со светодиодом, антенной, трансформатором, кремниевым диодом и собственно самим глюкометром.
Перспективным направлением разработок биосенсора, сочетающего все необходимые качества, является использование такого наноматериала, как пористый кремний. При относительной простоте изготовления и доступности исходного материала (кремний — один из самых распространенных элементов земной коры) он обладает высокой адсорбционной способностью и чувствительностью по отношению к биологическим и органическим молекулам.
Наша группа исследовала зависимость электрического сопротивления пористого кремния от содержания в его порах раствора глюкозы различной концентрации в слезной жидкости человека. Поскольку натуральные слезы различаются по химическому составу, в качестве объекта исследования был выбран аптечный препарат «Слеза натуральная». На поверхности подложки — пластинке кремния — формировался пористый слой, на него наносили параллельные полоски проводящей металлической пасты для создания электрических контактов.
Схематическое изображение образца для исследования зависимости сопротивления пористого кремния от содержания глюкозы в его порах
Схематическое изображение образца для исследования зависимости сопротивления пористого кремния от содержания глюкозы в его порах
Исследуемый раствор слезы с глюкозой капали на пористый слой между контактами, на которые подавалось напряжение, и измерялся ток, протекающий между контактами. По этим данным рассчитывалось электрическое сопротивление пористого слоя. Предварительно было определено сопротивление самих растворов глюкозы в слезной жидкости различной концентрации. Было установлено, что с увеличением содержания глюкозы сопротивление жидкости заметно уменьшается.
График зависимости сопротивления пористого кремния с раствором глюкозы в порах от ее концентрации в слезной жидкости
График зависимости сопротивления пористого кремния с раствором глюкозы в порах от ее концентрации в слезной жидкости
Аналогичная зависимость была получена и для сопротивления пористого кремния — оно также заметно уменьшается с увеличением содержания глюкозы в растворе.
По такой же схеме были проведены опыты по исследованию сопротивления пористого кремния при освещении его белым светом, в которых было установлено, что на свету эффект уменьшения сопротивления с увеличением содержания глюкозы в растворе проявляется еще сильнее.
Таким образом, первые результаты исследования зависимости сопротивления пористого кремния от содержания глюкозы в его порах дали обнадеживающие результаты. Можно сделать вывод, что на основе пористого кремния может быть разработан чувствительный элемент неинвазивного глюкометра. Дальнейшей задачей будет исследование растворов слезной жидкости с более низким содержанием глюкозы, а также изучение влияния на свойства пористого кремния других компонентов слезной жидкости.
Авторы выражают признательность за активное участие в исследованиях ученику 10-го класса Владимиру Сидорову.