Нанотехнологии предоставляют множество возможностей для создания высокочувствительных и избирательных датчиков, регистрирующих самые разные виды биомолекул. В настоящее время уже существует технология производства цилиндрических стержней из металлических секций длиной от 50 нм до 5 мкм, получившие название Nanobarcodes. Такие наночастицы формируются последовательным электрохимическим восстановлением ионов металла на подложке из окиси алюминия, и они имеют самое различное применение. В частности, на их поверхность могут быть нанесены аналитические препараты и соединения (например, антитела), позволяющие избирательно регистрировать наличие в среде сложных молекул заданного типа. Схема действия устройств (этот механизм можно назвать наномасштабным «кодированием»), показанная на рис. 14.7, основана на оптическом сигнале, возникающем при избирательном связывании молекул на заданном участке, содержащем требуемые реагенты. Уже сейчас датчики этого типа способны регистрировать наличие молекул ДНК.
Рис. 14.7. Оптическое детектирование биомолекул, избирательно связываемых с антителами на заданном участке наночастиц типа Nanobarcodes
Исследователи из Центра НАСА имени Эймса предложили еще один подход для регистрации молекул ДНК[98], в котором углеродные нанотрубки диаметром 30–50 нм в огромных количествах (миллионы трубок) располагаются вертикально на поверхности кремниевого чипа или кристалла, как показано на рис. 14.8. На вершины трубок наносятся так называемые «зонды», специфичные к определенным ДНК. При погружении такого чипа в жидкость, содержащую смесь ДНК, происходит связывание соответствующих ДНК на подложке (субстрат) и в растворе (мишень), что регистрируется по изменению электрической проводимости. Метод требует доработки (в частности, доведения чувствительности до уровня техники флуоресцентных меток), однако ожидается, что на его основе удастся создать новые портативные датчики.
Рис. 14.8. Вертикально направленные углеродные трубки на поверхности кремниевого чипа. Молекулы ДНК на концах нанотрубок способны специфически связывать (то есть регистрировать) определенные типы ДНК или другие вещества в анализируемом растворе (иллюстрация предоставлена Центром НАСА имени Эймса, Моффет Филд, Калифорния)
В настоящий момент мы являемся свидетелями интересной картины все более широкого практического распространения наноматериалов и устройств в окружающем мире, наглядным примером чего может служить производство и использование специализированных датчиков SnifferSTAR. Это наноустройство является не только одним из первых представителей целого поколения новых датчиков, но и демонстрирует уникальные возможности новых технологий, так как объединяет в себе два совершенно разных устройства: наносистему сбора и концентрирования изучаемых веществ и так называемую лабораторию на чипе (lab-on-a-chip), способную осуществлять быстрый и эффективный анализ собираемых образцов[99] . Как показано на рис. 14.9, устройство легко монтируется на миниатюрных беспилотных летательных аппаратах и обладает целым набором преимуществ, позволяющих широко использовать его для обнаружения в атмосфере различных соединений и веществ. Устройства такого типа могут быть очень полезны при решении различных задач, связанных с обороной и общественной безопасностью (детектирование боевых и отравляющих веществ, быстрый анализ экологической обстановки и т. п.).
Рис. 14.9. Использование химических нанодатчиков в сочетании с миниатюрными беспилотными летательными аппаратами. Видеоматериал предоставлен Национальной лабораторией Скандия (Альбукерке, штат Нью-Мексико) и фирмой Lockheed Martin Corporation
К настоящему моменту определился довольно широкий круг областей науки, техники и общественной жизни, в которых использование нанодатчиков представляется перспективным, и работы по их внедрению уже начаты. К этим отраслям следует отнести транспортные и коммуникационные системы всех видов (включая космические), городскую инфраструктуру, системы, связанные с медицинским и экологическим мониторингом (контроль состояния, учет и т. п.), робототехнику. Возможности массового использования нанодатчиков постоянно растут, не говоря уже о том, что возрастает объем и разнообразие выпускаемых наноматериалов. Производящие новые материалы фирмы крайне заинтересованы в коммерческих и военных приложениях своей продукции, а массовое производство датчиков позволяет создать весьма интересный и важный сектор рынка.
