Ученые создали наноразмерный полевой транзистор, с помощью которого можно производить прямые измерения биофизических величин и диагностику процессов внутри живых клеток, сообщается в статье исследователей.
Группа разработчиков во главе с профессором Чарльзом Либером (Charles M. Lieber) из Гарвардского университета уже продемонстрировала.
Группа разработчиков во главе с профессором Чарльзом Либером (Charles M. Lieber) из Гарвардского университета уже продемонстрировала.
Что с помощью их устройства можно напрямую измерять уровень рН (водородный показатель, у чистой воды равен 7, по мере роста кислотности жидкости он уменьшается до единицы) в клетках и электрические потенциалы на различных поверхностях клеточной оболочки. В перспективе с помощью модифицирования сенсора различными биологическими молекулами его работу можно сделать селективной и отслеживать намного более тонкие реакции в недрах клеток.
Наиболее важным является то, что наноразмерный датчик, разработанный учеными, настолько мал, что не нарушает внутренностей живых клеток, позволяя им работать в нормальном режиме. Несмотря на то, что прогресс в области микроэлектроники уже давно позволяет получать сверхминиатюрные электрические цепи, до сих пор применить их для сенсорных измерений у ученых не было возможности - все подобные устройства имели линейную геометрию и изготавливались на специально подготовленных поверхностях.
"Таким образом, вы имеете два больших контакта с разных концов наноэлектронного устройства с линейной геометрией и не можете внедрить его в живую клетку без того, чтобы не разрушить ее", - пояснил Либер, слова которого приводит интернет-издание Chemistry World.
Поэтому все физические измерения активности живых клеток ученым приходилось проводить с помощью методики, разработанной еще в 60-х годах прошлого века на основе очень тонких стеклянных капилляров. Такой капилляр заполняется электролитом - раствором какой-либо соли - и имеет толщину не менее 100 нанометров. "Поймав" фрагмент мембраны живой клетки в такой капилляр, можно измерить, например, ток ионов через ее ионные каналы. Однако разрешающая способность такого метода невысока, да и клеточная мембрана претерпевает значительные искажения при измерении, что сказывается и на качестве получаемых данных.
Либер и его коллеги разработали альтернативный подход с использованием изогнутого кремниевого нановолокна, функционирующего в качестве полевого транзистора. Технология роста таких волокон, являющаяся ноу-хау разработчиков, позволяет изменять угол изгиба кремниевого волокна прямо во время его роста. Получающийся таким образом сенсор имеет толщину всего от 20 нанометров. После покрытия его поверхности мембранными белками сенсор можно использовать для проведения измерений электрофизических параметров живых клеток, не боясь повредить оболочку или внутренности клетки при введении датчика.
Принцип действия полевого транзистора, расположенного недалеко от места сгиба волокна, основан на изменения электропроводности при воздействии на него внешних полей. Они могут формироваться внутри клетки в результате токов ионов и других биологических процессов. Присоединение заряженных биологических молекул к поверхности нановолокна также может влиять на физические характеристики транзистора, изменение которых и является аналитическим сигналом.
Теперь ученые намерены усложнить свое устройство таким образом, чтобы, кроме замеров электрических потенциалов мембраны и уровня рН, стало возможным измерять и другие, более тонкие биологические процессы внутри клеток. Для этого потребуется нанести на поверхность нановолокна дополнительные биологически активные молекулы.
"Пришла пора немного украсить наше устройство химическими методами, которые позволят измерять и другие вещи", - подытожил Либер.
Наиболее важным является то, что наноразмерный датчик, разработанный учеными, настолько мал, что не нарушает внутренностей живых клеток, позволяя им работать в нормальном режиме. Несмотря на то, что прогресс в области микроэлектроники уже давно позволяет получать сверхминиатюрные электрические цепи, до сих пор применить их для сенсорных измерений у ученых не было возможности - все подобные устройства имели линейную геометрию и изготавливались на специально подготовленных поверхностях.
"Таким образом, вы имеете два больших контакта с разных концов наноэлектронного устройства с линейной геометрией и не можете внедрить его в живую клетку без того, чтобы не разрушить ее", - пояснил Либер, слова которого приводит интернет-издание Chemistry World.
Поэтому все физические измерения активности живых клеток ученым приходилось проводить с помощью методики, разработанной еще в 60-х годах прошлого века на основе очень тонких стеклянных капилляров. Такой капилляр заполняется электролитом - раствором какой-либо соли - и имеет толщину не менее 100 нанометров. "Поймав" фрагмент мембраны живой клетки в такой капилляр, можно измерить, например, ток ионов через ее ионные каналы. Однако разрешающая способность такого метода невысока, да и клеточная мембрана претерпевает значительные искажения при измерении, что сказывается и на качестве получаемых данных.
Либер и его коллеги разработали альтернативный подход с использованием изогнутого кремниевого нановолокна, функционирующего в качестве полевого транзистора. Технология роста таких волокон, являющаяся ноу-хау разработчиков, позволяет изменять угол изгиба кремниевого волокна прямо во время его роста. Получающийся таким образом сенсор имеет толщину всего от 20 нанометров. После покрытия его поверхности мембранными белками сенсор можно использовать для проведения измерений электрофизических параметров живых клеток, не боясь повредить оболочку или внутренности клетки при введении датчика.
Принцип действия полевого транзистора, расположенного недалеко от места сгиба волокна, основан на изменения электропроводности при воздействии на него внешних полей. Они могут формироваться внутри клетки в результате токов ионов и других биологических процессов. Присоединение заряженных биологических молекул к поверхности нановолокна также может влиять на физические характеристики транзистора, изменение которых и является аналитическим сигналом.
Теперь ученые намерены усложнить свое устройство таким образом, чтобы, кроме замеров электрических потенциалов мембраны и уровня рН, стало возможным измерять и другие, более тонкие биологические процессы внутри клеток. Для этого потребуется нанести на поверхность нановолокна дополнительные биологически активные молекулы.
"Пришла пора немного украсить наше устройство химическими методами, которые позволят измерять и другие вещи", - подытожил Либер.