Dois jovens pesquisadores que trabalham no Laboratório de Nanoótica e Plasmônica do MIPT, Dmitry Fedyanin e Yury Stebunov, desenvolveram um ultracompacto, sensor nanomecânico de alta sensibilidade para analisar a composição química de substâncias e detectar objetos biológicos, como marcadores de doenças virais, que aparecem quando o sistema imunológico responde a doenças incuráveis ​​ou difíceis de curar, incluindo HIV, hepatite, herpes, e muitos outros. O sensor permitirá que os médicos identifiquem marcadores tumorais, cuja presença no corpo sinaliza o surgimento e crescimento de tumores cancerígenos.

A sensibilidade do novo dispositivo é melhor caracterizada por um recurso-chave:de acordo com seus desenvolvedores, o sensor pode rastrear mudanças de apenas alguns quilodaltons na massa de um cantilever em tempo real. Um Dalton é aproximadamente a massa de um próton ou nêutron, e vários milhares de Daltons são a massa de proteínas individuais e moléculas de DNA. Portanto, o novo sensor óptico permitirá o diagnóstico de doenças muito antes que elas possam ser detectadas por qualquer outro método, que abrirá o caminho para uma nova geração de diagnósticos.

O dispositivo, descrito em artigo publicado na revista Relatórios Científicos , é um ótico ou, mais precisamente, chip optomecânico. “Já faz algum tempo que acompanhamos o progresso feito no desenvolvimento de biossensores micro e nanomecânicos, e posso dizer que ninguém conseguiu introduzir uma tecnologia simples e escalável para monitoramento paralelo que estaria pronta para uso fora de um laboratório. Portanto, nosso objetivo não era apenas atingir a alta sensibilidade do sensor e torná-lo compacto, mas também torná-lo escalável e compatível com tecnologias microeletrônicas padrão, "disseram os pesquisadores.

Ao contrário de dispositivos semelhantes, o novo sensor não tem junções complexas e pode ser produzido por meio de uma tecnologia de processo CMOS padrão usada em microeletrônica. O sensor não tem um único circuito, e seu design é muito simples. Consiste em duas partes:um guia de nano-ondas fotônica (ou plasmônica) para controlar o sinal óptico, e um cantilever pendurado sobre o guia de ondas.

Um cantilever, ou feixe, é uma tira longa e fina de dimensões microscópicas (5 micrômetros de comprimento, 1 micrômetro de largura e 90 nanômetros de espessura), conectado firmemente a um chip. Para ter uma ideia de como funciona, imagine pressionar uma extremidade de uma régua firmemente na borda de uma mesa e permitir que a outra extremidade fique livremente suspensa no ar. Se você quebrar a extremidade livre com a outra mão, a régua fará oscilações mecânicas em uma certa frequência. É assim que funciona o cantilever. A diferença entre as oscilações da régua e do cantilever é apenas a frequência, que depende dos materiais e da geometria:enquanto a régua oscila em várias dezenas de hertz, a frequência das oscilações do cantilever é medida em megahertz. Em outras palavras, faz alguns milhões de oscilações por segundo.

Existem dois sinais ópticos que passam pelo guia de ondas durante as oscilações:o primeiro coloca o cantilever em movimento, e o segundo permite a leitura do sinal contendo informações sobre o movimento. O campo eletromagnético não homogêneo do modo óptico do sinal de controle transmite um momento de dipolo para o cantilever, impactando o dipolo ao mesmo tempo de modo que o cantilever comece a oscilar.

O sinal de controle modulado sinusoidalmente faz o cantilever oscilar em uma amplitude de até 20 nanômetros. As oscilações determinam os parâmetros do segundo sinal, cuja potência de saída depende da posição do cantilever.

Os modos ópticos altamente localizados de guias de nano-ondas, que criam um forte gradiente de intensidade de campo elétrico, são a chave para induzir oscilações cantilever. Como as mudanças do campo eletromagnético em tais sistemas são medidas em dezenas de nanômetros, os pesquisadores usam o termo "nanofotônica". Sem o guia de ondas em nanoescala e o cantilever, o chip simplesmente não funcionava. Um grande cantilever não pode ser feito para oscilar pela propagação livre da luz, e os efeitos das mudanças químicas em sua superfície na frequência de oscilação seriam menos perceptíveis.

As oscilações do cantilever permitem determinar a composição química do ambiente em que o chip é colocado. Isso porque a frequência das vibrações mecânicas não depende apenas das dimensões e propriedades dos materiais, mas também na massa do sistema oscilatório, que muda durante uma reação química entre o cantilever e o meio ambiente. Ao colocar diferentes reagentes no cantilever, os pesquisadores o fazem reagir com substâncias específicas ou mesmo objetos biológicos. Se você colocar anticorpos para certos vírus no cantilever, ele irá capturar as partículas virais no ambiente analisado. As oscilações ocorrerão em uma amplitude menor ou maior dependendo do vírus ou da camada de substâncias quimicamente reativas no cantilever, e a onda eletromagnética que passa através do guia de ondas será dispersa pelo cantilever de forma diferente, o que pode ser visto nas mudanças de intensidade do sinal de leitura.

Cálculos feitos pelos pesquisadores mostraram que o novo sensor combinará alta sensibilidade com facilidade de produção comparativa e dimensões em miniatura, permitindo que seja usado em todos os dispositivos portáteis, como smartphones, eletrônicos vestíveis, etc. Um chip, vários milímetros de tamanho, pode acomodar vários milhares desses sensores, configurado para detectar diferentes partículas ou moléculas. O preço, graças à simplicidade do design, provavelmente dependerá do número de sensores, sendo muito mais acessível do que seus concorrentes.