Обнаружение вирусов инфекционных заболеваний в реальном времени по их молекулярным отпечаткам

Исследователи создали «широкополосный спектроскопический сенсор с золотыми нанозаторами», используя гибкий материал, способный изгибаться для формирования контролируемого зазора. Разработанная технология позволяет быстро тестировать различные типы материалов, включая вирусы инфекционных заболеваний, используя всего один наноспектроскопический сенсор для поиска молекулярных отпечатков. Результаты опубликованы в Nano Letters.

Пандемии, подобные COVID-19, подчеркнули необходимость в быстрых и точных методах анализа для подготовки к будущим вспышкам. Рамановская спектроскопия на золотых наноструктурах, анализируя уникальные колебания молекул («молекулярные отпечатки»), предоставляет информацию о внутренней структуре и химических свойствах материалов с высокой чувствительностью и может играть ключевую роль в определении наличия вируса.

Однако обычные высокочувствительные рамановские сенсоры обнаруживают только один тип вируса одним устройством, что ограничивает их производительность, скорость обнаружения и стоимость в клинических применениях.

Команда профессора Кён-Дак Парка и аспирантов Тхэёна Муна и Хютэ Чу из отделения физики Пхоханского университета науки и технологий (POSTECH) успешно создала одномерную структуру в миллиметровом масштабе с золотыми нанозаторами, в которые плотно помещается лишь одна молекула. Это достижение позволяет проводить спектроскопическое зондирование по Раману на большой площади с высокой чувствительностью. Кроме того, исследователи эффективно интегрировали гибкие материалы в подложку сенсора.

Команда также разработала базовую технологию для широкополосного активного наноспектрального сенсора, позволяющего настраивать обнаружение конкретных веществ одним устройством. Для этого нанозазор расширяется до размера вируса, а его ширина свободно регулируется в соответствии с размером и типом материала.

Чувствительность и управляемость сенсора были улучшены за счёт сочетания с технологией адаптивной оптики, используемой, например, в космическом телескопе «Джеймс Уэбб». Также была создана концептуальная модель для расширения одномерной структуры до двумерного спектроскопического сенсора, теоретически подтвердившая возможность усиления рамановского сигнала в несколько миллиардов раз. Это позволяет подтверждать наличие вирусов в реальном времени за секунды, тогда как раньше на это требовались дни.

Достижения исследовательской группы, по которым ожидается получение патента, могут быть использованы для быстрого реагирования на вспышки неожиданных инфекционных заболеваний (таких как COVID-19) с помощью высокочувствительного тестирования в реальном времени, чтобы предотвратить неконтролируемое распространение.

Тхэён Мун, ведущий автор статьи, отметил: «Это не только продвигает фундаментальные научные исследования по идентификации уникальных свойств материалов от молекул до вирусов, но и облегчает практическое применение, позволяя быстро обнаруживать широкий спектр новых вирусов с помощью одного настроенного сенсора».