7. Сенсоры

Представьте упаковку в супермаркете, которая может сра­зу сказать, что содержащиеся в ней продукты перегреваются или испортились. Представьте себе крошечный элементарный индикатор, который постоянно наблюдает за наличием в доме таких опасных химикатов, как природный газ, угарный газ или озон. Представьте простую ватную палочку, которая может мгновенно сказать, есть ли у пациента стрептококки, диабет, различные наследственные болезни, грипп или анемия. Пред­ставьте простой стержень, который можно всунуть в землю, и который скажет огороднику, где лучшая почва для посадки огурцов. Представьте надежное средство выявления взрывча­тых веществ, чтобы в аэропорту не приходилось раздеваться при проверке. Все описанные ситуации иллюстрируют потен­циальные сферы применения наноскопических сенсоров. Сен­соры(или датчики)— это структуры, указывающие на при­сутствие определенных молекул или биологических структур, а также определяющие количество присутствующего вещест­ва. Сенсоры уже используются в нашем обществе, но наилуч­шие из них будут делаться из наноструктур, и первым делом они должны вызвать революцию в сфере медицинского об­служивания и упаковки продуктов.

Вообще, сенсоры моложе, чем можно было бы подумать. В памяти большинства людей первое появление этого слова ассо­циируется с мистером Споком из первых серий фильма "Звездный путь". В действительности слово немного старше. Впервые оно использовалось в статье в журнале New Scientist в 1958 году, и в Оксфордском словаре приводится такое его опре­деление: "Устройство, подающее сигнал при обнаружении или измерении физического [или химического] свойства, на которое оно реагирует". Хотя определение, данное в словаре, не содержит слов, взятых в квадратные скобки, применение сенсоров для де­тектирования молекулярных структур является, пожалуй, наибо­лее обещающей и важной областью детектирования.

ПРИРОДНЫЕ НАНОСКОПИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ

Как и многие другие элементы нанонауки и нанотехнологии, сенсоры наноскопического размера очень широко распро­странены в биологии. Сенсоры необходимы для взаимодейст­вия, а взаимодействие с другими организмами является одной из центральных особенностей жизни. Сигналы могут прини­мать различные формы — молекулы, звуки, запахи и прикос­новения, тепло и свет. Способность детектировать эти сигналы и желательна, как в ароматных духах, и необходима, как в де­тектировании меркаптанов — серосодержащих субстанций с неприятным запахом, добавляемых в природный газ, кото­рый подается в дома.

Изящные наносенсоры в носу некоторых животных, особен­но собак, необходимы для их выживания. Фундаментальным механизмом, объясняющим чувство обоняния собаки или дей­ствие половых феромонов (привлекающих средств), важнейших в большей части мира насекомых, является молекулярное рас­познавание. Дополнительные чувствительные структуры в носу собаки или рецепторы насекомого распознают форму сигналь­ных молекул, в частности, распределение зарядов на их поверх­ностях. Простейшая аналогия — ключ, точно входящий в замок, но в этом случае ключ должен иметь не только правильную форму, но и правильное распределение зарядов на поверхности. Поэтому лучшей аналогией с молекулярным распознаванием являются распространенные в гостиницах замки на магнитных карточках, поскольку они не только детектируют ключ, но и да­ют вспышку зеленого света, показывающую, что они определи­ли правильный ключ (следовательно, это истинные сенсоры, поскольку они и детектируют ключ, и дают сигнал).

Помимо химического восприятия, биологический мир по­лагается на сенсоры других свойств. Многие цветы и листья притягиваются к солнцу, являющемуся источником энергии.

Определенные молекулярные сенсоры в структуре листа или цветка реагируют на присутствие солнца. Данные сенсоры указывают молекулярному мотору листа или цветка двигаться в определенном направлении, чтобы обратиться к солнцу и получить от него больше энергии. Подробнее о данном явле­нии мы поговорим в главе 9. Животные имеют уши, чтобы де­тектировать звуки, а рыбы имеют латеральные линии, позво­ляющие воспринимать звуки и изменения давления. Все это чувствительные механизмы, необходимые для жизни.

В скором времени сенсоры в синтезированном наномире до­кажут, что они настолько же важны, как и их природные родст­венники, а иногда еще и построены на тех же принципах, а не являются простым продолжением современных искусственных "больших братьев", макроскопических сенсоров. Данные макро­скопические искусственные сенсоры базируются на физических свойствах массивных материалов или сложной механической или электронной аппаратуре. Например, термометры работают, измеряя тепловое расширение жидкой ртути, а акселерометры используют микроэлектромеханические системы для измерения ускорения машины. Ни микроэлектромеханические системы, ни тепловое расширение не являются концепцией, которую легко распространить на наноскопические размеры. Вместо этого наноскопические сенсоры часто либо имитируют те жизненные процессы, которые уже разработаны в наномире, либо исполь­зуют ключевые квантово-механические или зависимые от раз­мера физические свойства, которые существуют только в этом мире. Это означает не только то, что наносенсоры будут самыми лучшими и самыми точными из возможных, но и то, что они смогут ощущать то, что невозможно будет обнаружить макро­скопическими устройствами.

Синтетические сенсоры можно классифицировать по тому, что они ощущают — ниже рассмотрены датчики электромаг­нитного излучения, небольших и средних молекул (подобных квадратам, описанным в главе 5) и биологических объектов.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ДАТЧИКИ

Термином электромагнитныйназывают любую форму энер­гии, распространяющуюся в виде волны. Двигаясь по шкале электромагнитных излучений от наиболее низкого уровня энер­гии, мы пройдем через радиоволны, инфракрасный свет, види­мый свет (от красного до фиолетового), ультрафиолетовый свет и рентгеновские лучи. Звук — это, по сути, распространяющаяся волна давления, а, следовательно, он незначительно отличается от электромагнитного излучения и воспринимается очень по­хожим образом.

Простейший электромагнитный сенсор реагирует на физи­ческое условие, как фотоэлемент, который используется для включения света после захода солнца. Принцип работы фото­элемента заключается в измерении интенсивности света, по­ступающего от солнца; например, когда яркий свет ослабляет­ся до предопределенного уровня яркости, подается сигнал "включить электричество".

Чтобы разработать наноскопический фотоэлемент, можно сделать ставку на побочный результат исследований по генера­ции солнечной энергии. В главе 5 обсуждалась разработка фо­тоэлектрохимических элементов, предложенных Мишелем Гретцелем для поглощения солнечного света. Данные элементы используют молекулярные красители, которые возбуждаются захватом солнечного света. Затем возбужденные молекулы пе­редают электрон в наноскопическую квантовую точку, сделан­ную из полупроводника (диоксид титана). Использовать одно из таких фотоэлектрических устройств в качестве сенсора не­сложно. Для этого всего лишь необходимо зафиксировать факт передачи электрона, а это относительно просто, поскольку пере­данный электрон движется по внешней схеме, понижая свою энергию за счет рекомбинации с положительным зарядом, ос­тавленным на красителе. Другими словами, если фотоэлемент дает электричество, значит, на него падает свет.

Гораздо более старый, а в некотором смысле даже более эле­гантный наноскопический фотосенсор образует основу науки и искусства фотографии. В традиционной серебряной фотогра­фии фотоны (световая энергия) вызывают химическую реак­цию с участием ионов серебра, имеющихся в эмульсии на по­верхности пленки. Ионы серебра сближаются, формируя наноскопические кластеры серебра (простейший из них имеет всего четыре атома), разрастающиеся достаточно сильно, чтобы рас­сеивать и поглощать свет, вследствие чего на поверхности они кажутся черными. Таким образом, происходит изменение свойств с размером, такое важное в нанотехнологии.

Создание пленок для рентгеновских, ультрафиолетовых или инфракрасных лучей требует очень похожих процессов. (Часто такие пленки производятся теми же компаниями, что делают фотопленку.) Необходимо только, чтобы светочувст­вительный агент (часто все то же серебро) взаимодействовал со светом требуемой длины волны. Для рентгеновских лучей длины волн гораздо меньше; для инфракрасного света — го­раздо больше. Чтобы фотосенсор, построенный на элементе Гретцеля, реагировал на различные цвета или типы света, не­обходимо только найти подходящую молекулу-краситель.

Сенсоры в пленке являются молекулярными (атомными), и процесс восприятия состоит из необратимых изменений — кластеризации атомов серебра. Микрофоны воспринимают звук или давление совсем иначе. Они состоят из диафрагм, на­строенных на вибрацию при воздействии давления или звуко­вой волны. Это во многом похоже на кожу на барабане — когда внешний источник давления ударяет по барабану, барабан на­чинает вибрировать. Фактически волосковые клетки (клетки внутреннего уха) работают по тому же принципу: мембрана начинает вибрировать при воздействии внешнего давления, соответствующего звуку, а затем очень сложный набор хими­ческих сигналов активируется вибрацией мембраны. Ухо — это очень сложный многоуровневый электромагнитный сен­сор, основанный преимущественно на молекулярных сигна­лах. Принцип его действия заключается в преобразовании энергии вибрации в мембране в электрохимические сигналы, которые затем передаются в мозг.

Поскольку большинство электромагнитных сенсоров уже предназначены для работы с волнами наноскопических или близких к ним размеров, уменьшать их проще, чем сенсоры других типов. Отметим, впрочем, что данная часть нанотехнологии интересна, но не настолько значительна, как совершен­но новая область — искусственные биодатчики.

БИОДАТЧИКИ

Биодатчики — это не только природные сенсоры, являю­щиеся частью жизни; это сенсоры биологических сущностей, включая белки, медикаменты и даже некоторые вирусы. В природе есть множество схем детектирования данных сущ­ностей. Одна из них является причиной аллергической реак­ции. Когда тело впервые подвергается воздействию аллергена (доброкачественной субстанции, которую оно ошибочно при­нимает за враждебного захватчика), тело вырабатывает анти­тела, которые распознают этот аллерген, если он еще когда- либо появится. Антитела используют молекулярное распозна­вание, чтобы отследить аллергенные белки и выработать гистамин,субстанцию, заставляющую тело реагировать, чихая, вызывая зуд или тошноту. Данная способность воспринимать такие большие структуры, как белки или нуклеиновые кисло­ты, может быть удивительно важной.

Классической задачей биосенсорики является детектирова­ние глюкозы. Диабетики не могут управлять уровнем инсулина в крови; следовательно, уровень глюкозы в их крови серьезно колеблется. Если этот уровень становится, либо слишком высо­ким, либо слишком низким, это может представлять угрозу для жизни. В настоящее время большинство диабетиков первого типа сдают кровь ежедневно или даже чаще для проверки уров­ня содержания глюкозы. Детектирование молекул глюкозы можно выполнять по-разному, используя методы оптического, условного или молекулярного распознавания. Ни один из суще­ствующих на сегодняшний день методов не совместим с про­стыми имплантируемыми устройствами, которые могут дейст­вовать автоматически, непрерывно детектируя уровень глюкозы в крови. Решение этой проблемы является одной из главных за­дач химиосенсорики, и весьма полезными здесь могут оказаться наноструктуры.

Детектирование ДНК потенциально является обширной обла­стью, в которой нанонаука может помочь медицине. При обсуж­дении ДНК-компьютеров в главе 5 говорилось о скрещивании, способности ДНК связываться в дополнительную цепочку и не связываться ни с чем иным. Например, если требуется детекти­ровать структуру с последовательностью СЦСЦТТЦ, можно использовать цепочку ГЦГЦААГ. Это означает, что одна цепоч­ка, скажем, из шести оснований ДНК может содержать 4 096 различных комбинаций (каждое основание может иметь одно из четырех значений А, Ц, Г или Т, так что последовательность из шести элементов может иметь 4x4x4x4x4x4 возможных значения). Следовательно, если определенная биологическая цель, такая как возбудитель ботулизма или скарлатины, имеет известную последовательность ДНК, можно нацелить сенсор на небольшой участок данной последовательности ДНК (скажем, участок из 10-15 оснований), которые можно един­ственным образом безошибочно детектировать с помощью подходящей дополнительной цепочки. Иногда это называется ДНК-отпечатком пальцаболезни, поскольку практически не­возможно ошибиться, используя даже умеренно длинные по­следовательности. При 15 основаниях вероятность ошибки составляет всего одну миллиардную.

Наиболее выдающимся применением ДНК-детектирования, пожалуй, является обобщение концепции лаборатории на чипе. Используя мощные аналитические возможности данных емких микролабораторий, можно будет внедрить на чип несколько фильтрующих датчиков для мгновенного распознавания ДНК вирусов или бактерий, соотнесенных с несколькими различны­ми болезнями, найденными в теле. Такие чипы можно также ис­пользовать для детектирования наличия токсичных веществ, ес­тественного или искусственного происхождения в воде для пи­тья. Наконец, поскольку теперь мы знаем весь геном человека, биотипы могут использоваться для детектирования либо опре­деленных ДНК-подписей, либо определенных белковых подпи­сей, являющихся дефектами, приводящими к болезни. Это по­зволит людям из группы риска получать больше внимания и чаще проходить проверки. Комплексное ДНК-детектирование является одной из основных целей в биомедицинском обществе, поскольку оно позволит значительно улучшить диагностику. Похоже, что оптимальное (а может быть, даже единственное) решение этой задачи невозможно без ДНК-сенсоров.

Кроме того, можно создать датчики, использующие преиму­щества ДНК-распознавания. Простейшие датчики вводят в проверяемый раствор одинарную цепочку ДНК, дополнитель­ную к искомой. Если искомая цепочка присутствует в растворе, она скрестится с тестовой ДНК и сформирует двойную цепочку.

Скрещивание подтверждает, что искомая ДНК есть; однако обнаружить, что скрещивание произошло, не так просто. Двой­ные цепочки нельзя увидеть без очень сложных инструментов; поэтому обычно для этого используется масса. Очевидно, двой­ные спирали будут иметь большую массу, чем одинарные, хотя и не значительно, если тестовая последовательность короткая — каждое основание весит примерно, как молекула, или приблизительно 1/1 000 000 000 000 000 000 000 грамма. Это чересчур мало для простых измерений, поэтому отклик необходимо уси­лить. Таким образом, одной из насущных задач в ДНК- детектировании является такое усиление эффектов скрещива­ния, чтобы их можно было легко измерить.

Один путь к такому усилению — изменить оптические свой­ства золотых или серебряных наноточек, привязанных к ДНК. Чад Миркин, Роберт Летзингер и их группы в Нортвестерне впервые объединили кантовые оптические эффекты (помните изменение цвета золота при изменении размера золотых кла­стеров?) с молекулярным распознаванием (связывание допол­нительных ДНК). Схемы их экспериментов и некоторые реаль­ные результаты показаны на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Вверху схематически показано, как наноточки в колори­метрическом сенсоре соединяются при связывании с целевой ДНК (в данном случае сибирской язвы). Кластеры точек имеют иной цвет, чем отдельные точки, как показано на фотографии внизу. Перепечатано с разрешения группы Миркина, Нортвестернский университет

Детектируя одинарные цепочки ДНК, связанные с золоты­ми наноточками, сенсор распознает целевые цепочки ДНК, ко­торые заставляют золотые наносферы сближаться и, как в описанных выше витражных стеклах, менять цвет. Посколь­ку цвет меняется, аппараты называются колориметрическими датчиками,и, чтобы снять с них показания, достаточно просто посмотреть на их цвет. (Группа Джорджа Шаца в Нортвестернском университете разработала теоретическую базу этого процесса.) Описанный подход подобен методам детектирова­ния, используемым для наблюдения за крошечными фрагмен­тами ДНК.

Помимо ДНК колориметрические датчики могут использо­вать изменение цвета металлических наноточек для детектиро­вания других молекул. Группа Ричарда ван Дайна в Нортвестерне использует литографию наносферами для подготовки крошечных золотых точек на поверхности, как обсуждалось в главе 4. Молекулярная наноструктура содержит биологиче­ский радикал (чем-то напоминающий антитело), присоединен­ный к золотым наночастицам. Радикал спроектирован так, что­бы распознавать (химически связывать) определенный белок, так же, как антитела связывают биологических захватчиков в человеческом теле. Когда целевое вещество появляется в рас­творе, оно связывается с радикалом, что преобразует химиче­скую и физическую среду золотой точки, цвет которой при этом несколько меняется. Это изменение можно измерить, причем чувствительность измерений невероятна. Ван Дайн показал, что его золотые наноточки сообщают, если в растворе присутствует одна молекула целевого вещества

Задача создания универсальных нанодатчиков описан­ного типа заключается в том, что полезные сенсоры не должны давать ложноположительных результатов. Отно­сительно ДНК можно сказать, что, если целевой молекулы в растворе нет, практически невозможно, чтобы произошло скрещивание, и сработал сенсор. Однако, если требуется построить детектор взрывчатых веществ, задача гораздо сложнее. Нитраты (молекулярные группы, присутствую­щие в большинстве взрывчатых веществ) входят во множе­ство других распространенных бытовых вещей, включая хот-доги и удобрения, и их можно обнаружить даже в чело­веческом теле. Если детектировать их присутствие с точно­стью до одной молекулы, каждый проверенный человек вы­зовет срабатывание датчика бомб. Чтобы обойти эту про­блему для взрывчатых веществ и других распространенных субстанций, в настоящее время проводится множество ис­следований.

ЭЛЕКТРОННЫЕ "НОСЫ"

Выше описывалось, как работают биологические носы, используя молекулярное распознавание для передачи нерв­ного импульса в мозг. В искусственном носу наиболее рас­пространенной заменой носовой мембраны является элек­тропроводный полимер. Когда полимер подвергается воз­действию любой данной молекулой в газообразной форме, его проводимость немного меняется. В электронном "носу" между электродами проложен случайный полимер или смесь полимеров. Когда молекула, запах которой нужно почувст­вовать, попадает на полимер (или полимеры), проводимость определенных областей меняется так, как задано для данного вещества. Природа детектирования довольно интересна, по­скольку оно основано на так называемых нейронныхсетях. Идея заключается в том, что каждый датчик дает определен­ное напряжение и ток, которые затем сравниваются со спи­ском стандартных сигналов, которые нос уже нюхал. В этом смысле нос необходимо "обучить". Когда ребенок спрашива­ет, что это так странно пахнет, а мама отвечает: "скунс", ребенок учится. Измеряя отклик электронного "носа" на ряд стандартных молекулярных входов, можно определить элек­трический сигнал, порожденный определенным веществом. Затем, когда неизвестный пар вызывает такую же реакцию электрической системы, можно утверждать, что вещество присутствует. Поскольку электронные свойства молекулы- полимера являются ключом к электронному "носу", данная тема пересекается с одной из следующих тем — молекуляр­ной электроникой.

В настоящее время существует несколько коммерческих компаний, производящих электронные "носы" (например, Cyrano) для таких разных сфер применения, как детектирова­ние токсичных газов, анализ болезней, наблюдение за качест­вом воздуха и исследование и стандартизация пищи.

Чад Миркин, наноученый и бизнесмен предсказывает мир, в котором врачи смогут поставить диагноз, мгновенно изучив комнату, не только проанализировав симптомы больного, но и действительно почувствовав болезнетвор­ные микробы в теле или крови пациента. Вместе со знаме­нитым исследователем Робертом Летзингером Миркин ос­новал компанию Nanosphere,Inc., в которой реализуются их работы по биосенсорам. Используя те же методы био­сенсорного сопоставления ДНК, что обсуждались выше, они уже разработали один из быстрейших и точнейших в мире тестов на сибирскую язву и ряд тестов для других болезней, включая СПИД. ЕслиNanosphereдобьется успе­ха в разработке запланированных продуктов (прототипы уже существуют), врачи смогут проводить все общие тесты прямо в офисе или у постели больного. Кроме того, сотруд­ники военной и правовой сферы смогут проверять состав писем, зданий и полей сражения гораздо легче. Интегриро­вав биосенсоры в лабораторию на чипе, удастся проводить множество тестов параллельно и выявлять за раз множество болезней, вместо того, чтобы проводить отдельные тесты на туберкулез, гепатит, корь, свинку и другие, как это дела­ется сейчас. При удаче они скоро создадут тесты на бешен­ство и столбняк, чтобы данные болезни не нужно было вы­являть с помощью болезненных уколов. Используя назван­ные технологии,Nanosphereи другие компании смогут сде­лать проверки на болезни дешевыми и простыми. Это лишь одна цель нанотехнологии, которая полностью изменит по­рядок вещей и которая вскоре может быть достигнута — в следующие два-три года.