Лазерный мир

Зуев Дмитрий Александрович, Зуев Дмитрий Александрович // КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Аннотация
Нанофотоника — одно из наиболее быстро развивающихся направлений в области современной физики, а влияние оптических технологий на нашу повседневную жизнь трудно переоценить. Действительно, оптические методы передачи и обработки информации, солнечная энергетика, лазерная индустрия, включающая терапию, хирургию и косметологию являются неотъемлемыми частями современного мира. Сегодня оптическое детектирование широко используется для обнаружения биомаркеров, характерных для множества заболеваний. Тем не менее, несмотря на ряд достижений, в этой области остается множество нерешенных проблем, которые, в частности, включают недостаточно высокую чувствительность сенсоров, необходимую для диагностирования заболеваний на ранних стадиях, длительное время детектирования, не позволяющее использовать такие сенсоры для экспресс-диагностики и в местах оказания неотложной медицинской помощи, необходимость привлечения высококвалифицированного персонала для проведения анализа. Более того, ситуация с COVID-19 выявила острую необходимость в разработке новых эффективных недорогих методов диагностики вирусных заболеваний, так как наиболее распространенный на сегодняшний день метод диагностики – полимеразная цепная реакция – обеспечивает точность около 70-80% [Korean Journal of Radiology 21, 505 (2020); Radiology 296, 200432 (2020)] и должен верифицироваться другими более точными и, как следствие, дорогостоящими лабораторными методами.

Предлагаемый проект направлен: (i) на разработку новых физических принципов и материальной базы для оптического детектирования на основе передовых достижений в области нанофотоники, позволяющих решить вышеперечисленные проблемы, и (ii) создание прототипа компактного оптического микрофлюидного сенсора для биомедицинских приложений, в основе которого будут лежать последние достижения нанофотоники.

Наиболее важными результатами, полученными в рамках выполнения второго этапа проекта, являются:

1. Разработана гибридная плазмон-полупроводниковая наноантенна для генерации второй гармоники. Показало, что добавление золотого диска не ухудшает резонансных свойств полупроводниковой компоненты и обеспечивает появление дополнительных плазмонных резонансов. Экспериментально показано, что при накачке антенны линейно поляризованным светом, каждый из резонансов достигает своего максимального значения при разном направлении поляризации, что связанно с поликристаллической структурой антенны. Экспериментально измеренна зависимость рамановского спектра от мощности возбуждающего импульса и продемонстрирован контролируемый нагрев наноструктур под действием лазерного облучения.

2. Разработаны методы создания образцов нулевой моды совмещённых с микрофлюидным каналом и волноводным лазерным возбуждением, позволяющим освещать более 5000 волноводов нулевой моды одновременно. Развита методика регистрации флуоресценции единичных молекул аналитов с использованием волноводов нулевой моды. Показана возможность измерения малых концентраций молекул аналита на примере регистрации меченых антител человеческого коронавируса. Обнаружен эффект локализации единичных молекул аналита в волноводах нулевой моды, обусловленный механическим воздействием волновода нулевой моды на диффузное движение молкулы аналита в растворе.

3. Разработана установка измерения времени жизни флуоресценции красителей. Разавита методика синтеза золотых наночастиц, стабилизированных полиэтиленгликолем, стержневой формы, имеющих максимум плазмонно-поверхностного резонанса во втором биологическом окне, который находится в интервале длин волн 1000-1400 нм. Разработана методика измерения температуры на наномасштабе, с помощью флуоресцентного красителя Родамина Б вне и внутри клеток. Разаработана методика определения доли апоптотических и некротических опухолевых клеток B16-F10 в зависимостри от внутриклеточных температур при фототермической терапии.

4. Построена 3D модель структуры комплекса антитело-антиген SARS-CoV-2 рассчитанная с помощью методов молекулярного моделирования. Разработан метод пробоподготовки и диагностики, позволяющий одновременно проводить оптическую диагностику и диагностику в электрононм микроскопе образца мазка пациентов страдающих коронавирусной инфекцией. Показана возможность обнаружения коронавирусных частиц на уровне единичных вирионов. Развита методика определения заразных коронавирусных частиц от вирусных остатков (невирулентных псевдовирусных частиц), основанная на оптической регистрации флуоресценции меченых антител к шип-белкам коронавируса, позволяющая определять число шип-белгов на липидной оболочке единичной вирусной частицы.

5. Теоретически проанализирована чувствительность сенсора показателя преломления на основе оптического связанного состояния в континууме. Найден верхний предел чувствительности к изменению показателя преломления диэлектрических сенсоров, поддерживающих связанные состояний в континууме. Предложен рецепт, как достичь верхнего предела чувствительности за счет оптимизации конструкции решетки. Показано, что максимальной чувствительности можно достичь независимо от значения диэлектрической проницаемости диэлектрика, из которого изготавливается система.

6. Разработана методика отделения плазмы из цельной крови на платформе микрофлюидного чипа, использующего поверхностные силы флюида, как движущую силу манипуляции током жидкости, без применения вспомогательного оборудования или насосов, и фильтрационной мембраны. Разработана лабораторная методика изготовления микрофлюидного чипа для выделения плазмы из цельной крови для двух задач: отделение плазмы из цельной крови для последующего качественного анализа получаемой плазмы крови микрофлюидным способом, в сравнении с общепринятым методом центрифугирования; микрофлюидный чип интегрированный с оптической системой для оптического детектирования аналита в плазме крови.

Полное содержание на https://rscf.ru/project/21-72-30018/