Для точной диагностики и прогнозирования развития онкологического заболевания важно определить уровень L-2-гидроксиглутарата в организме пациента. В настоящее время для этого используются методы, которые требуют сложной подготовки образцов и дорогостоящего оборудования. В связи с этим ученые НГУ решили создать оптические системы, которые могли бы быстро выявлять превышение уровня L-2-гидроксиглутарата и D-2-гидроксиглутарата, а также изменения в их соотношении. Такие системы позволят обнаруживать онкологические заболевания на ранних стадиях, что, в свою очередь, даст возможность своевременно начать лечение.
В работе по созданию новых оптических сенсоров был задействован коллектив из шести ученых НГУ, Института автоматики и электрометрии СО РАН и Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН. Исследователи разработали новый тип оптического сенсора на основе терагерцовых наноантенн для обнаружения L-2-гидроксиглутарата в биологических образцах.
Устройство представляет собой массив золотых наноантенн на кремниевой подложке. Ученые НГУ провели электродинамические расчеты структуры сенсора и оптимизировали геометрические параметры для возбуждения в ней плазмонного резонанса на требуемой для данного биомаркера частоте – 1,337 ТГц. Изготовлен сенсор методом нанолитографии в Институте физики полупроводников СО РАН и охарактеризован с помощью метода сканирующей электронной микроскопии. В ЦКП “Спектроскопия и оптика” Института автоматики СО РАН проведены спектральные измерения и тестирование сенсора. Его специфическая чувствительность к биомаркеру L-2-гидроксиглутарат была подтверждена экспериментально с помощью метода импульсной терагерцовой спектроскопии. Отслеживая поведение резонанса в спектре пропускания сенсора с ростом концентрации L-2-гидроксиглутарата, исследователи определили чувствительность сенсора. В ходе исследования были выявлены недостатки данного устройства и предложено решение по повышению его чувствительности и точности обнаружения уровня биомаркера.
Ученые утверждают, что возможно изготовить сенсор для обнаружения биомаркера D-2 гидроксиглутарата, обладающего резонансной частотой около 1,695 ТГц, и, совместив его с уже разработанным для биомаркера L-2-гидроксиглутарата, получить универсальное устройство, работающее по обнаружению количества обоих изомеров. Теперь ученым предстоит воплотить результаты своих изысканий в новом устройстве. Они уже приступили к разработке нового сенсора, который будет лишен недостатков, выявленных у наноантенного сенсора. Работу над ним предполагается завершить уже в этом году.
Как говорит кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лаборатории функциональной диагностики низкоразмерных структур для наноэлектроники АТИЦ ФФ НГУ, а также заведующий лабораторией терагерцовой фотоники ИАиЭ СО РАН Назар Николаев, что предположительно новый сенсор будет выдавать более достоверные результаты и низкие измерительные шумы. «Если это подтвердится, мы сможем перейти к исследованиям не модельных растворов вещества, как на предыдущем этапе исследований, а уже сыворотки крови, которая представляет собой сложную биологическую жидкость. Таким образом мы сможем испытать наш сенсор обнаружения биомаркера L-2-гидроксиглутарата в условиях, близких к реальным. Потенциально, при благополучном исходе, наше устройство может быть востребовано в клинической диагностике. Однако сейчас для тестирования сенсора и обнаружения данного биомаркера мы используем дорогостоящие системы, обладающие широким спектральным диапазоном. Работать на таких лабораторных приборах могут только узкие специалисты, обладающие навыками настройки и обработки данных. Но поскольку в реальном практике требуется анализ только резонансной частоты, вся диагностическая система может быть упрощена путем переноса на более доступный одночастотный источник излучения. При дальнейшей разработке соответствующего программного обеспечения, пользоваться данной диагностической аппаратурой смогли бы медицинские работники без привлечения специалистов-физиков», – говорит ученый. Однако даже при условии, что новый сенсор окажется эффективным, на это потребуется не один год инженерно-конструкторских работ, а также прохождение процедуры сертификация прибора.