Разработан новый инструмент химического анализа, объединяющий зеленый лазер, микроволны с энергией, сопоставимой с wi-fi, и диамантовую пыль, внедрованную в жидкие микрокапли. Метод обеспечивает точное, быстрое и чувствительное обнаружение даже мельчайших концентраций химических веществ, что открывает возможности для исследований на уровне отдельных клеток.
Впервые ученым удалось интегрировать нанодиа́монды в микрокапли, размеры которых в миллионы раз меньше дождевой капли. Технология демонстрирует высокую эффективность при использовании минимальных объемов образца и подтверждена результатами, опубликованными в журнале Science Advances в декабре.
Проект возглавил Эшок Аджой, научный сотрудник отдела химических наук лаборатории Лоуренс Беркли (Berkeley Lab) и доцент Университета Калифорнии в Беркли. В состав команды вошли аспирантка Адриша Саркар из UC Berkeley, постдокторант Зак Джонс и Дипти Танжоре, директор подразделения по разработке процессов передовых биотоплив и биопродуктов в Berkeley Lab. Эшок Аджой заметил: «Мы даже не были уверены, что наша методика сработает, но оказалось, что она удивительно проста и эффективна».
Основой метода является квантовая сенсорика, использующая эффекты, наблюдаемые на микроуровне. Модифицированные нанодиа́монды, в которых часть атомов углерода заменена на азот, создают «азотные вакансии», функционирующие как датчики. При воздействии зеленого лазера и микроволн данные датчики излучают свет, интенсивность которого меняется в зависимости от присутствующих химических соединений.
Особая методика с потоком микрокапель и модулированными микроволнами позволяет эффективно устранить фоновый шум, что значительно повышает точность измерений. Система превосходит существующие технологии при обнаружении следовых количеств парамагнитных веществ, таких как ионы гадолиния и стабилизированная радикальная молекула TEMPOL, чувствительная к кислороду. Анализ тысяч капель с затратами порядка 63 центов на количество диамантовой пыли делает метод экономически привлекательным.
Разрабатываемая технология предусматривает расширение спектра обнаруживаемых молекул, включая реактивные кислородные виды (ROS), кратковременные соединения, связанные с клеточным метаболизмом, старением и стрессовыми процессами. Применение метода позволит изучать клеточные процессы в режиме реального времени и создавать портативные диагностические системы для выявления вирусов и загрязнителей в воздухе и воде.
Каждая микрокапля функционирует как отдельная миниатюрная колба, что открывает перспективы создания саморегулирующихся биореакторов. Такие системы обеспечивают оптимальные условия для выращивания микроорганизмов, используемых в производстве лекарственных средств, биотоплива и пищевых ингредиентов. Дипти Танжоре отметила: «Можно представить себе установку биореакторов в отдаленных регионах или даже в космосе для производства пищи, которую невозможно доставлять ежедневно. Наличие точных квантовых датчиков, дающих данные о поведении культуры микроорганизмов в реальном времени, является важным шагом к созданию саморегулирующегося биореактора».
Инновация стала результатом тесного сотрудничества специалистов в областях химии, микрофлюидики, бионаук и наук о Земле. Применение нанодиа́мондов в микрокаплях предоставляет возможность для создания высокоточных, экономичных и универсальных сенсорных систем, способных решать задачи диагностики, мониторинга окружающей среды и оптимизации промышленных процессов.
Изображение носит иллюстративный характер
Впервые ученым удалось интегрировать нанодиа́монды в микрокапли, размеры которых в миллионы раз меньше дождевой капли. Технология демонстрирует высокую эффективность при использовании минимальных объемов образца и подтверждена результатами, опубликованными в журнале Science Advances в декабре.
Проект возглавил Эшок Аджой, научный сотрудник отдела химических наук лаборатории Лоуренс Беркли (Berkeley Lab) и доцент Университета Калифорнии в Беркли. В состав команды вошли аспирантка Адриша Саркар из UC Berkeley, постдокторант Зак Джонс и Дипти Танжоре, директор подразделения по разработке процессов передовых биотоплив и биопродуктов в Berkeley Lab. Эшок Аджой заметил: «Мы даже не были уверены, что наша методика сработает, но оказалось, что она удивительно проста и эффективна».
Основой метода является квантовая сенсорика, использующая эффекты, наблюдаемые на микроуровне. Модифицированные нанодиа́монды, в которых часть атомов углерода заменена на азот, создают «азотные вакансии», функционирующие как датчики. При воздействии зеленого лазера и микроволн данные датчики излучают свет, интенсивность которого меняется в зависимости от присутствующих химических соединений.
Особая методика с потоком микрокапель и модулированными микроволнами позволяет эффективно устранить фоновый шум, что значительно повышает точность измерений. Система превосходит существующие технологии при обнаружении следовых количеств парамагнитных веществ, таких как ионы гадолиния и стабилизированная радикальная молекула TEMPOL, чувствительная к кислороду. Анализ тысяч капель с затратами порядка 63 центов на количество диамантовой пыли делает метод экономически привлекательным.
Разрабатываемая технология предусматривает расширение спектра обнаруживаемых молекул, включая реактивные кислородные виды (ROS), кратковременные соединения, связанные с клеточным метаболизмом, старением и стрессовыми процессами. Применение метода позволит изучать клеточные процессы в режиме реального времени и создавать портативные диагностические системы для выявления вирусов и загрязнителей в воздухе и воде.
Каждая микрокапля функционирует как отдельная миниатюрная колба, что открывает перспективы создания саморегулирующихся биореакторов. Такие системы обеспечивают оптимальные условия для выращивания микроорганизмов, используемых в производстве лекарственных средств, биотоплива и пищевых ингредиентов. Дипти Танжоре отметила: «Можно представить себе установку биореакторов в отдаленных регионах или даже в космосе для производства пищи, которую невозможно доставлять ежедневно. Наличие точных квантовых датчиков, дающих данные о поведении культуры микроорганизмов в реальном времени, является важным шагом к созданию саморегулирующегося биореактора».
Инновация стала результатом тесного сотрудничества специалистов в областях химии, микрофлюидики, бионаук и наук о Земле. Применение нанодиа́мондов в микрокаплях предоставляет возможность для создания высокоточных, экономичных и универсальных сенсорных систем, способных решать задачи диагностики, мониторинга окружающей среды и оптимизации промышленных процессов.
