Содержание |
2023: Обнаруженный эффект наночастиц позволит создавать биологические сенсоры
Международный коллектив физиков показал, что определенная форма позволяет наночастицам быть в электромагнитном смысле больше своих геометрических размеров. Об этом 14 августа 2023 года сообщили представители МФТИ. Обнаруженный эффект поможет в создании биологических сенсоров, материалов для солнечных батарей и элементов оптических и квантовых компьютеров. Подробнее здесь.
2020
Старт использования биоразлагаемых имплантатов для измерения оксидов азота
В середине ноября 2020 года исследователи из Пенсильванского университета разработали имплантируемый датчик, который может измерять уровни газов NO и NO2 в организме. Гибкий сенсор, состоящий из силикона и магния, является полностью биоразлагаемым, поэтому его не нужно снимать после имплантации. Подробнее здесь.
Электронные датчики температуры, кислорода в крови и ЭКГ начали наносить прямо на кожу
В середине октября 2020 года исследователи из Государственного университета Пенсильвании и Харбинского технологического института в Китае разработали способ печати электронных датчиков непосредственно на коже без выделения излишнего тепла в процессе. Благодаря такой методике врачи могут получать высококачественную запись ряда показателей жизненно важных функций, например, температуры, содержания кислорода в крови и ЭКГ.
Биометрические датчики обычно работают лучше всего, когда размещаются в непосредственной близости от тела. Хотя в наши дни носимые устройства, такие как наручные пульсоксиметры, уже стали обычным явлением, их можно надевать лишь на некоторые участки тела и они часто не слишком удобны. Поэтому исследователи разработали новую методику.
Для соединения наночастиц серебра в гибкие электронные компоненты обычно требуется высокотемпературное спекание при 300 градусах по Цельсию, которое невозможно выполнять непосредственно на коже. Группа исследователей решила найти материал, который снизил бы температуру, требуемую для спекания, и разработала спекающий пастообразный слой из поливинилового спирта и карбоната кальция. Эта паста не только обеспечивает спекание наночастиц при комнатной температуре, но и делает поверхность полученного материала гладкой и гибкой, что позволяет наносить датчики непосредственно на тело.
Исследователи уже создали датчики для оценки содержания кислорода в крови, снятия ЭКГ, измерения температуры и влажности. Они также соединили датчики в общую сеть, которая может передавать показания в реальном времени на ближайший монитор. Датчики могут работать в течение нескольких дней, а снять их легко под горячим душем. При этом все устройства можно использовать повторно или отправить на переработку, поскольку они не повреждаются в процессе снятия.[1]
В МФТИ нашли способ поднять чувствительность биосенсоров до уровня достаточного для бытового применения
28 января 2020 года в МФТИ сообщили, что найден способ поднять чувствительность биологических датчиков до уровня, достаточного для их применения в бытовых приборах. Работа выполнена МФТИ при поддержке Российского научного фонда.
Биосенсор — электрохимический датчик, позволяющий в реальном времени определять состав биологических жидкостей. В МФТИ отметили, что единственное массовое бытовое применение биосенсоров — приборы для моментального измерения уровня глюкозы в крови. Но футурологи обещают, что в недалеком будущем бытовые электронные приборы, анализирующие при помощи биосенсоров состав пота, слюны, глазной жидкости и других выделений, смогут идентифицировать личность, делать медицинские анализы, ставить диагнозы, непрерывно контролировать состояние здоровья и составлять оптимальный рацион питания для конкретного человека в зависимости от текущего состояния его организма.
До недавнего времени всерьез говорить о подобных применениях биосенсоров не позволяла их низкая чувствительность и неподъемная для потребительского рынка стоимость. Но, похоже, в этой области намечается прорыв: группа ученых с Физтеха предложила принципиально иную конструкцию биосенсора, обещающую повышение его чувствительности и снижение стоимости. То и другое — во много раз.
 | «Традиционный биосенсор состоит из кольцевого резонатора и волновода, расположенного в одной плоскости с резонатором. Мы решили попробовать разнести эти два элемента, поместить их в разные плоскости, расположить колечко над волноводом», отметил Кирилл Воронин, автор идеи, студент магистратуры МФТИ и сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники |  |
Раньше никто из исследователей не пытался так делать, потому что в лабораторных условиях гораздо проще изготовить одноуровневую плоскую конструкцию: на подложку наносят тонкую пленку, вытравливают ее и получают одновременно и кольцевой резонатор, и волновод. Двухъярусная же конструкция биосенсора оказалась более сложной для изготовления в единичных экспериментальных экземплярах, но зато более дешевой при массовом производстве на заводах микроэлектроники, где все технологические процессы ориентированы как раз на послойное размещение активных элементов.
Но главное, предложенная объемная конструкция биосенсора позволяет добиться от него во много раз большей чувствительности, утверждают в МФТИ.
Работа биосенсоров основана на том, что за счет поглощения органических молекул поверхностью датчика происходит небольшое изменение показателя преломления последней. Это изменение фиксируется с помощью резонатора, у которого условия резонанса зависят от показателя преломления внешней среды. Явление резонанса обладает тем свойством, что даже самые слабые колебания показателя преломления вызывают значительное смещение резонансных пиков. Поэтому биосенсор способен откликаться чуть ли не на каждую органическую молекулу, попадающую на поверхность датчика.
| | «У нас полосковый волновод расположен под резонатором, в толще диэлектрика. Резонатор же находится на границе раздела, между диэлектрической подложкой и внешней средой. Это позволяет значительно поднять его чувствительность путем подбора показателей преломления двух сред», отметил Алексей Арсенин, один из соавторов работы, ведущий научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ | |
В предложенной учеными компоновке биосенсора вся его оптическая часть — источник и детектор излучения — располагается внутри диэлектрика. Снаружи же остается только чувствительная зона конструкции — золотое колечко диаметром несколько десятков микрометров и толщиной несколько десятков нанометров.
| | «Наша схема призвана существенно упростить и удешевить биосенсоры. Для производства датчиков, построенных на нашем принципе, достаточно только оптической литографии. Не требуется никаких движущихся деталей, достаточно настраиваемого лазера, работающего в очень узком диапазоне», отметил Кирилл Воронин, автор идеи, студент магистратуры МФТИ и сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники | |
По оценке директора Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Валентина Волкова, для создания промышленного образца на основе предложенной технологии понадобится около трех лет.
Примечания
