В начале года исследователи Массачусетского технологического института предложили методику промышленного получения микрочастиц со штрихкодом. Эта технология основана на микроструйном устройстве, которое позволяет производить уникальные пластиковые микрочастицы, для использования в биомедицинских аналитических приложениях.
Теперь же исследователи усовершенствовали свою методику с целью создания частиц с тонко организованной внутренней структурой. Создатели технологии Нед Томас и Патрик Дойл отмечают, что их технология поможет увеличить чувствительность диагностических материалов массового производства в десятки тысяч раз. Их инновация подробно описана в журнале Angewandte Chemie.
В двумерной системе, предложенной учёными, уникальные биосенсорные частицы создаются в потоке двух растворов, содержащих молекулярные компоненты будущих пластмассовых структур. Растворы пропускаются через капилляры толщиной 0,2 миллиметра, вытравленные в кремниевом шаблоне. Пропуская через этот шаблон импульс ультрафиолетового излучения, ученые форсируют агломерацию молекул в индивидуальные твердые частицы с размерами порядка 50 микрометров. Для того чтобы сделать из этих частиц биологические сенсоры, команда Дойла вводит в раствор полимера биологические метки ДНК. Для того чтобы получить большой массив уникальных частиц, ученые наносят на шаблон точки, которые и создают уникальный код на поверхности частиц. Этот код виден в обычный оптический микроскоп.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"incutNum": 2,
"picsrc": "Пример микрочастиц со \"штрихкодом\"//Daniel Pregibon, technologyreview.com",
"repl": "<2>:{{incut2()}}",
"uid": "_uid_2383959_i_2"
}
На следующем этапе Томас и Дойл использовали недавно разработанную методику так называемой фазовой литографии, которая помогает создать внутреннюю структуру в пластиковых микрочастицах. В отличие от микроточек на кремниевом шаблоне, которые отбрасывают тень в ультрафиолетовом луче и тем самым создают двухмерный орнамент на поверхности частицы, технология фазовой литографии позволяет организовать трехмерную структуру внутри объема частицы.
В полупроводниковой индустрии и микромеханике при использовании этой технологии поступают следующим образом. Кремниевую пластину, на которой собираются вытравливать микрообъекты, покрывают слоем специального компонента - так называемого фоторезиста. Затем покрытую фоторезистом пластину облучают светом определенной длины волны, при этом на пути света ставят шаблон, чтобы поверхность фоторезиста оказалась засвеченной лишь в нужных местах.
В результате облучения фоторезист становится растворимым, и эти растворимые участки смываются с поверхности кремния водой. Незасвеченная область не смывается и формирует так называемую маску для химического травления кремния, которое является следующей стадией. В процессе травления кремния свободные от фоторезиста участки растворяются частично или полностью, покрытые же фоторезистом остаются в первозданном виде. В конце процесса фоторезистная маска смывается и на выходе получается кремниевая пластина с нанесенным на неё микроузором.
Комбинации различных приемов химического травления и маскирования поверхности кремния с помощью фоторезиста в ряде случаев могут быть использованы даже для получения на поверхности объектов нанометрового масштаба.
Положительная и отрицательная интерференция приводит к образованию трехмерного ультрафиолетового изображения в каждом канале.
При проецировании такой трехмерной интерференционной картины на раствор полимерного прекурсора (материала, из которого получается конечный продукт) его затвердевание также приводит к образованию частицы с трехмерной структурой. Томас и Дойл уверены, что их технология позволит в итоге получать частицы размером в 10 мкм, а трехмерный орнамент внутренней структуры при надлежащей организации фазовой маски может быть начерчен линиями толщиной в 200 нм.
Применение своих частиц ученые видят в качестве сверхбыстрых и сверхчувствительных сенсоров. Их чувствительность обусловлена большой площадью поверхности, к которой могут быть привиты молекулы ДНК или другие биологические маркеры.
Традиционные твердотельные микрозонды могут нести молекулы только на своей наружной поверхности, тогда как новые микрочастицы могут прикреплять биометки на гораздо большей площади, так как их внутренняя решетчатая трехмерная структура сообщается с окружающим пространством.
Таким образом, частица того же размера может участвовать в одновременном взаимодействии с существенно большим числом молекул, что в итоге приводит к более интенсивному коллективному сигналу биологических флуоресцентных меток. При этом не имеет значения, где произошло взаимодействие между частицей и искомой молекулой — внутри или на поверхности, так как частицы прозрачны. Томасу и его команде уже удалось показать десятикратное увеличение чувствительности своих биологических сенсоров по сравнению с традиционными, и он надеется вскоре продемонстрировать тысячекратное усиление сигнала.
Энергия биологических процессов, помогающая сперматозоидам преодолевать больше расстояния на пути к яйцеклетке, по заверениям ученых, вскоре может быть встроена в упряжь нанотехнологий. Такие прогнозы были сделаны на 47–й ежегодной конференции Американского общества клеточной биологии. Работа исследователей из Корнельского университета может оказаться первой в мире демонстрацией возможности применения биологического способа выработки энергии в искусственных устройствах.
Сперматозоиды млекопитающих доставляют необходимую энергию к хвостовым отросткам, движение которых и позволяет им передвигаться в жидкой среде. Выработка энергии при этом происходит непосредственно в самой хвостовой части. Здесь модифицированные ферменты, ускоряющие процесс гликолиза – переработки углеводов в основное «топливо» внутриклеточных процессов, АТФ, – прикреплены непосредственно к остову хвостовой части. Таким образом, энергия равномерно распределяется по длине жгутика и приводит к его постоянным удлинениям и изгибам.
В своей работе Тинацу Мукай, Алекс Трэвис и их коллеги из института ветеринарных наук при Корнельском университете попытались перенести волокнистую подложку, удерживающую энзимы на поверхность неорганического объекта – нитрилотриацетата никеля.
Исследователи изменили участок молекулы гексокиназы, одного из первых ферментов в гликолитической цепочке, позволяющий ей специфически прикрепляться к участкам тела сперматозоидов. Измененная молекула получила способность прикрепляться к золотой поверхности и сохранила свои каталитические функции. Следующая молекула, подвергшаяся аналогичному изменению – глюкозо-6-фосфатизомераза. Она так же сохранила свою активность после модификации структуры. Будучи прикрепленными к одно и той же поверхности, эти ферменты функционировали последовательно, то есть продукт одной реакции был субстратом для реакции со вторым ферментом.
Это пока только первый шаг к воссозданию все гликолитической цепочки на неорганической подложке. По мнению ученых их дальнейшие достижения позволят воссоздать всю цепочку, приводящую к образованию АТФ из сахаров, которая может быть использована в качестве источника энергии в нанотехнологических устройствах будущего.
Кроме того, частицы с решётчатой внутренней структурой могут быть использованы в качестве сит для разделения и управления гораздо более миниатюрными частицами. Такие сита смогут менять свои параметры (например, размер ячейки) под действием определенных внешних условий, таких как кислотность среды, и быть использованы в качестве молекулярных вентилей.
