Ученые создали микролазеры для обнаружения отдельных молекул и ионов, что открывает новые горизонты в диагностике заболеваний
Международная группа исследователей из Университета Эксетера совершила прорыв в области биосенсорных технологий, создав первые микролазеры, способные обнаруживать единичные молекулы и даже отдельные атомарные ионы. Результаты этой работы, опубликованные в научном журнале Nature Photonics, открывают путь к созданию нового поколения устройств типа «лаборатория на чипе», которые смогут обеспечивать мгновенную медицинскую диагностику, включая выявление онкологических заболеваний и вирусных инфекций на самых ранних стадиях.
В основе разработки лежит технология так называемых «шепчущей галереи». Используемые микролазеры представляют собой крошечные стеклянные сферы диаметром от 0,01 до 0,1 миллиметра — что сопоставимо с шириной человеческого волоса или длиной одной бактерии. Внутри такой сферы свет многократно отражается от стенок и циркулирует по круговой траектории, подобно звуку, который передается вдоль изогнутых стен в архитектуре шепчущих галерей. Эта циркуляция света делает устройство чрезвычайно чувствительным к любым, даже самым незначительным, возмущениям на его поверхности.
Чтобы вывести чувствительность системы на беспрецедентный уровень, позволяющий регистрировать единичные молекулы и ионы, исследователи применили комплекс инновационных методов. Во-первых, на поверхность микролазера были добавлены золотые наностержни. Эти структуры концентрируют свет в крошечных областях — «горячих точках» размером в несколько нанометров, сжимая электромагнитное поле до масштабов молекул и многократно усиливая эффект от связывания единичной молекулы или иона в такой точке. Во-вторых, для считывания сигнала была использована техника гетеродинного детектирования разностной частоты. Вместо прямого измерения едва уловимых изменений интенсивности света, система отслеживает, как присутствие молекулы в «горячей точке» изменяет частоту биений между волнами, распространяющимися внутри сферы по часовой стрелке и против нее. Такой подход позволяет фиксировать мельчайшие изменения частоты, которые было бы невозможно заметить при традиционном анализе.
Ключевым преимуществом новой системы является ее надежность. Отслеживая сразу несколько лазерных частот биений одновременно, ученые могут подтверждать активность событий на уровне единичных молекул, что позволяет с высокой точностью верифицировать молекулярные взаимодействия и минимизировать вероятность ошибки.
Физик профессор Фрэнк Воллмер, руководивший исследованием, подчеркнул значение этой разработки для будущего медицины. По его словам, созданные микролазеры впервые позволяют обнаруживать объекты, меньшие, чем когда-либо прежде — вплоть до отдельных атомов и молекул. Это значительный шаг вперед на пути к созданию нового поколения диагностических устройств, способных выявлять такие состояния, как рак или деменция, на ранних стадиях, а также использоваться для быстрого тестирования вирусов. Кроме того, отметил профессор Воллмер, технология открывает возможность детектировать небольшие структурные изменения в белках, включая те, что связаны с активностью ферментов и белковой сигнализацией. На сегодняшний день не существует технологий, способных решать такую задачу, а ее решение, в свою очередь, позволило бы совершить огромный скачок в понимании механизмов, лежащих в основе развития заболеваний.
Соавтор , доктор Самир Вартаби Кашаниан, отметил, что успех работы стал возможен благодаря уникальной междисциплинарной среде Института живых систем, где под одной крышей работают физики, биологи и химики. По его словам, именно такая стимулирующая среда позволяет преодолевать границы между дисциплинами, что является необходимым условием для перевода достижений в области оптической физики в практические биосенсорные приложения.