Нанофотонные устройства для оптического детектирования

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-72-30018

НазваниеНанофотонные устройства для оптического детектирования

Руководитель Зуев Дмитрий Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №53 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова Нанофотоника, оптические сенсоры, киральность, фотонные наноструктуры, спектроскопия комбинационного рассеяния света, метаматериалы, сердечные тропонины, микрофлюидный чип.

Код ГРНТИ29.31.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

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. Основные научные задачи проекта посвящены детектированию киральных молекул, в частности, с помощью топологических фотонных структур, метаматериалов и метаповерхностей, развитию сверхчувствительных методов детектирования маркеров различных заболеваний, в частности, сердечных тропонинов (маркеров повреждения миокарда) и развитию методов многофункционального детектирования, и последующей реализации этих методов на базе компактного микрофлюидного оптического сенсора. Проект будет осуществляться совместно с несколькими индустриальными партнерами, что обусловлено междисциплинарностью заявленного исследования: - Лабораторная служба Хеликс - одна из крупнейших частных лабораторных сетей в России [https://helix.ru]; - Компания ООО «Троицкий инженерный центр», которая специализируется на выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области оптико-электронного приборостроения и микрофлюидики [http://trdc.com]; - Компания ООО “ЛЕД Микросенсор НТ”, которая специализируется на разработке и производстве светодиодов и детекторов излучения ближнего и среднего ИК-диапазонов [http://ru.lmsnt.com]; - Национальный медицинский исследовательский центр им. В. А. Алмазова. Один из лидеров в области кардиомедицины в России [http://www.almazovcentre.ru]; Участие нескольких высококвалифицированных партнеров позволит не только получить прорывные научные результаты в области оптических сенсоров для биомедицинских приложений, подкрепленные публикациями в самых престижных мировых изданиях, таких как Nature and Science, но и вывести разработанные технологии в России на качественно новый уровень и успешно их коммерциализировать. Коллектив, подобранный для выполнения проекта, включает теоретиков, специалистов по численному моделированию, технологов и экспериментаторов, экспертов в области микрофлюидики и оптического детектирования биологических объектов и специалистов в области коммерциализации, способных осуществить все стадии проекта: от выдвижения научной гипотезы, ее теоретического анализа и практической реализации прототипа и дальнейшей коммерциализации продукции. В распоряжении коллектива есть все необходимое оборудование для компьютерного моделирования, создания опытных образцов и экспериментального исследования их оптических свойств. Несмотря на то, что большинство исполнителей это молодые ученые моложе 35 лет, они уже обладают большим опытом в решении подобных масштабных задач, а также имеют опыт публикации результатов в престижных международных журналах (Science, Nature Photonics, Advanced Materials, Nano Letters, Physical Review Letters, Optica, ACS Photonics, Light: Science and Applications и др.). Совокупность опыта коллектива в реализации масштабных международных научных проектов, его профессионализма, детально продуманного плана проекта, наличие необходимого оборудования, имеющегося научного задела и налаженных контактов с российскими и зарубежными коллегами, готовыми к тесному сотрудничеству в рамках проекта, позволяют утверждать, что поставленные задачи будут полностью решены, а полученные результаты - опубликованы в ведущих научных изданиях и широко востребованы международным научным сообществом и представителями высокотехнологичной индустрии и рынка наукоемкой продукции.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Алексей А. Дмитриев и Михаил В. Рыбин Optical downfolding method for calculating quasinormal modes of complex nanoparticles PHYSICAL REVIEW A, Том 103 Выпуск 5 Номер статьи 053514 (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevA.103.053514

2. Дмитрий В. Жирихин и Юрий С. Кившарь Topological Photonics on a Small Scale Small scince, Номер публикации 2100065 (год публикации - 2021)
10.1002/smsc.202100065

3. Кристина Фризюк, Елизавета Мелик-Гайказян, Чжэ-Хюк Чой, Михаил Иванович Петров, Парк Хонг-Гю, и Юрий Кившарь Nonlinear circular dichroism in Mie-resonant nanoparticle dimers NANO LETTERS, Том 21 Выпуск 10 Страница 4381-4387 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.nanolett.1c01025

4. Елена Н. Герасимова, Виталий В. Ярошенко, Павел М. Талианов, Алексей О. Пелтек, Михаил А. Баранов, Полина В. Капитанова, Дмитрий А. Зуев, Александр С. Тимин, Михаил В. Зюзин Real-Time Temperature Monitoring of Photoinduced Cargo Release inside Living Cells Using Hybrid Capsules Decorated with Gold Nanoparticles and Fluorescent Nanodiamonds ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES, Том13 Выпуск31 Страница36737-36746 (год публикации - 2021)
10.1021/acsami.1c05252

5. Павел Талианов, Ландыш И. Фатхутдинова, Александр Сергеевич Тимин, Валентин А. Миличко, Михаил Васильевич Зюзин Adaptive Nanoparticle‐Polymer Complexes as Optical Elements: Design and Application in Nanophotonics and Nanomedicine LASER & PHOTONICS REVIEWS, Том 15 Выпуск 9 Номер статьи 2000421 (год публикации - 2021)
10.1002/lpor.202000421

6. Amos Egel , Krzysztof M. Czajkowski , Dominik Theobald, Константин Ладутенко, Алексей Сергеевич Кузнецов, Lorenzo Pattellie SMUTHI: A python package for the simulation of light scattering by multiple particles near or between planar interfaces JOURNAL OF QUANTITATIVE SPECTROSCOPY & RADIATIVE TRANSFER, Том 273 Номер статьи 107846 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jqsrt.2021.107846

7. Лепешов С.И., Богданов А.А. Bound states in the continuum-induced enhancement of evanescent field confinement Journal of Physics: Conference Series, Номер статьи 012083 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2015/1/012083

8. Дмитрий Пидгайко, Илья Дерий, Владимир Федоров, Алексей Можаров, Иван Мухин, Юрий Задиранов, Михаил Петров, Антон Самусев и Андрей Богданов Second harmonic generation in hybrid GaP/Au nanocylinders Journal of Physics: Conference Series, Номер статьи 012172 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2015/1/012172

9. Маслова Э. Богданов, М.В. Рыбин, З.Ф. Садриева Stability of bound states in the continuum in low-contrast photonic structures Journal of Physics: Conference Series, Номер статьи 012090 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2015/1/012090

10. Алексей О Пелтек, Эдуард Агеев, Павел М. Талианов и Михаил В Зюзин Fluorescence lifetime-based intracellular thermometry for photothermal therapy Journal of Physics: Conference Series, Номер статьи 012107 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2015/1/012107

11. Ni, J., Huang, C., Zhou, L. M., Gu, M., Song, Q., Кившар Ю., & Qiu, C. W. Multidimensional phase singularities in nanophotonics SCIENCE, Том 374 Выпуск 6566 Страница 418-+ (год публикации - 2021)
10.1126/science.abj0039

12. Доронин И., Калмыков А., Зябловский А., Андрианов Е, Хлебцов Б., Мелентьев П., Балыкин В. Resonant concentration-driven control of dye molecule photodegradation via strong optical coupling to plasmonic nanoparticles Nano Letters, Том 22, Выпуск 1, Страницы 105 - 110 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.nanolett.1c03277

13. Максимов Д., Герасимов В., Богданов А., Полютов С. Enhanced sensitivity of an all-dielectric refractive index sensor with an optical bound state in the continuum Physical Review A, Том 105, Выпуск 3 (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevA.105.033518

14. Тонкаев П., Синев И., Рыбин М., Макаров С., Кившар Ю. Multifunctional and Transformative Metaphotonics with Emerging Materials Chemical Reviews, Volume 122, Issue 19, Pages 15414-15449 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.chemrev.1c01029

15. Тонкаев П., Кившар Ю. All-dielectric resonant metaphotonics: opinion Optical Materials Express, Том 12, Выпуск 7, Страницы 2879 - 2885 (год публикации - 2022)
10.1364/OME.467655

16. Елизаров М., Кившар Ю, Фраталокки А. Inverse-Designed Metaphotonics for Hypersensitive Detection ACS Nanoscience, Том 2, Выпуск 5, Страницы 422 - 432 (год публикации - 2022)
10.1021/acsnanoscienceau.2c00009

17. Кустов П., Петрова Е., Назаров М., Гилмуллин А., Сандомирский М., Понкратова Е., Ярошенко В., Агеев Э., Зуев Д. Mie-Resonant Silicon Nanoparticles for Physically Unclonable Anti-Counterfeiting Labels ACS Applied Nano Materials, Том 5, Выпуск 8, Страницы 10548 - 10559 (год публикации - 2022)
10.1021/acsanm.2c01878

18. Понкратова Е., Агеев Э., Трифонов П., Кустов П., Сандомирский М., Жуков М., Ларин А., Мухин И., Бельмонте Т., Номине А., Брюйер С., Зуев Д. Coding of Non-Linear White-Light Luminescence from Gold-Silicon Structures for Physically Unclonable Security Labels Advanced Functional Materials, Том 32, Выпуск 41 (год публикации - 2022)
10.1002/adfm.202205859

19. Пельтек А., Агеев Э., Тальянов П., Мусихина А., Епифановская О., Дубавик А., Вейко В., Лепик К., Зуев Д., Тимин А., Зюзин М. Fluorescence-based thermometry for precise estimation of nanoparticle laser-induced heating in cancerous cells at nanoscale Nanophotonics, Volume 11, Issue 18, 3 September 2022, Pages 4323-4335 (год публикации - 2022)
10.1515/nanoph-2022-0314

20. Герасимова Е., Ярошенко В., Михайлова Л., Долгинцев Д., Тимин А., Зюзин М., Зуев Д. Thermally Induced Mechanical Switching of the Second-Harmonic Generation in pNIPAM Hydrogels-Linked Resonant Au and Si Nanoparticles Advanced Optical Materials, номер статьи 2201375 (год публикации - 2022)
10.1002/adom.202201375

21. Отрощенко А., Зюзин М. A simple and accessible approach for processing photopolymer master molds for the fabrication of microfluidic polydimethylsiloxane devices. Physics of Fluids, 34, 112015 (год публикации - 2022)
10.1063/5.0122055

22. О Пашина, К Фризюк, Г Зограф, М Петров Thermo-optical reshaping of second-harmonic emission from dimer all-dielectric nanoresonators Optics Letters, Vol. 47, Issue 8, pp. 1992-1995 (год публикации - 2022)
10.1364/OL.444348

23. Залогина А., Явадзаде Дж., Савелев Р., Комиссаренко Ф., Уваров А., Михин И., Шадривов И., Акимов А., Зуев Д. Control of photoluminescence of nitrogen-vacancy centers embedded in diamond nanoparticles coupled to silicon nanoantennas Applied Physics Letters, Том 122, выпуск 10 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0133866

24. Карсакова М., Щедрина Н., Карамянц А., Понкратова Е., Зуев Д. Eco-friendly Approach for Creation of Resonant Silicon Nanoparticle Colloids Langmuir, Том 39, выпуск 1, стр. 204-210. (год публикации - 2023)
10.1021/acs.langmuir.2c02382

25. Понкратов Е., Хубежов С., Ильин О., Зуев Д. Gold-Titanium Dioxide Developed Structures for Sensing and Photocatalysis IEEE, 2023 IEEE 23rd International Conference on Nanotechnology (NANO), стр. 972-975 (год публикации - 2023)
10.1109/NANO58406.2023.10231180

26. Сюй Я., Чжан Ц., Ву У., Ван Х., Юнь Я., Сунь Я., Ся Х., Богданов Б., Сенюшкин П., Чи Дж., Лянь Ц., Ву Д., Су М., Сонг Я. Printed Divisional Optical Biochip for Multiplex Visualizable Exosome Analysis at Point-of-Care Advanced Materials, Advanced Materials, стр. 2304935. (год публикации - 2023)
10.1002/adma.202304935

27. Фаткуидинова Л.И., Бабич Е., Болдырев К., Шипиловских С., Тертерев И., Бараненко Д., Редков А., Тимин А., Зюзин М., Кившар Ю., Богданов А. Rapid and sensitive detection of nucleoprotein SARS-CoV-2 virus: SERS vs ELISA Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications, Том 57, стр. 101172 (год публикации - 2023)
10.1016/j.photonics.2023.101172

28. Фатхутдинова Л.И., Бархум Х., Герасимова Е.Н., Аттраш М., Колчанов Д.С., Важенин И.И., Тимин А.С., Гинзбург П., Зюзин М.В. Metal Ion Sensing with Phenylenediamine Quantum Dots in Blood Serum ACS Applied Nano Materials, 2023, XXXX, XXX, XXX-XXX (год публикации - 2023)
10.1021/acsanm.3c04494

29. Красиков С., Трантер А., Богданов А., Кившар Ю. Intelligent metaphotonics empowered by machine learning Opto-Electronic Advances, Том 5, Выпуск 3 (год публикации - 2022)
10.29026/oea.2022.210147

30. Ван Ш., Ван К., Ван Ф., Гуань Ч., Богданов А., Белов п., Ши Ц. Topologically enabled ultrahigh-Q chiroptical resonances by merging bound states in the continuum Optics Letters, Том 47, Выпуск 13, Страницы 3291 - 3294 (год публикации - 2022)
10.1364/OL.462021

31. Назаров Р.Х., Садриева З.Ф. Optical Biosensor in a One-Dimensional Photonic Structure with Bound States in the Continuum Optical Memory and Neural Networks, Выпуск 32, стр. S97–S101 (год публикации - 2023)
10.3103/S1060992X23050156

32. Арабули К.В., Кополева Е., Акеноун А., Михайлова Л.В., Петрова Е., Муслимов А.Р., Сеничкина Д.А., Цымбал С., Шакирова А.И., Игнатьев А.И., Лепик К.В., Зюзин М.В. On-chip fabrication of calcium carbonate nanoparticles loaded with various compounds using microfluidic approach Biomaterials Advances, Том 161, стр. 213904 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1016/j.bioadv.2024.213904

33. Хубежов С.А., Понкратова Е.Ю., Кузьмичев А.М., Малеев К.А., Ларин А.О., Карсакова М.Е., Якимчук Д.В., Зюзин М.В., Макаров С.В., Зуев Д.А. Fast and scalable fabrication of Ag/TiO2 nanostructured substrates for enhanced plasmonic sensing and photocatalytic applications Applied Surface Science, Том 670, стр. 160669 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.160669

34. Герасимова Е.Н., Фатхутдинова Л.И., Важенин И.И., Уваров Е.И., Высотина Е., Михайлова Л., Лазарева П.А., Костюшев Д., Абакумов М., Пароди А., Ярошенко В.В. Hybrid plasmonic nanodiamonds for thermometry and local photothermal therapy of melanoma: a comparative study Nanophotonics, Том 13, номер 22, стр. 4111-4125 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1515/nanoph-2024-0285

35. Понкратова Е.И., Кузьмичев А.М., Рудь Д.А., Хубежов С.А., Долгинцев Д.М., Агеев Е.И., Вейко В.П., Синев Д.А., Зуев Д.А. Nanosecond Laser-Assisted Fabrication of Photocatalytically Active TiO2 Nanocoatings: Implication in Organic Dyes Degradation ACS Applied Nano Materials, Том 7, номер 16, стр. 19268-19278. (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1021/acsanm.4c03155

36. Чжу С., Агеев Э., Зуев Д. Laser-induced fabrication of polymer templates for directed assembly of nanostructures Advanced Laser Processing and Manufacturing VIII, Том 13234, стр. 136-141 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1117/12.3036085

37. Доронин И.В., Зябловский А.А., Андрианов Е.С., Калмыков А.С., Гритченко А.С., Хлебцов Б.Н., Ван С.П., Кан Б., Балыкин В.И., Мелентьев П.Н. Quantum engineering of the radiative properties of a nanoscale mesoscopic system Nanoscale, Том 16, номер 31, стр. 14899-14910 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1039/D4NR01233J

38. Чечекина О.Г., Тропина Е.В., Фатхутдинова Л.И., Зюзин М.В., Богданов А.А., Ю Ю., Болдырев К.Н. Machine learning assisted rapid approach for quantitative prediction of biochemical parameters of blood serum with FTIR spectroscopy Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, Том 326, стр. 125283 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1016/j.saa.2024.125283

39. Пантюхина П.А., Богданов А.А., Кошелев К.Л. Engineering the Radiative Lifetime of Excitons in Two-dimensional van der Waals Heterostructures 2024 Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS), 2024 Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS), стр. 1-8. IEEE (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1109/PIERS62282.2024.10618227

40. Тальянов П., Фатхутдинова Л.И., Тимин А.С., Миличко В.А., Зюзин М.В. Adaptive Nanoparticle-Polymer Complexes as Optical Elements: Design and Application in Nanophotonics and Nanomedicine Laser & Photonics Reviews, Том 15, номер 9, стр. 2000421 (год публикации - 2021)
https://doi.org/10.1002/lpor.202000421

41. Лепешов С., Богданов А. Enhanced Evanescent Field Confinement Driven by Bound States in the Continuum International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics, 11th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics, META 2021, стр. 957-958 (год публикации - 2021)

42. Понкратова Е.Ю., Штумпф А.С., Фатхутдинова Л.И., Бикбаева Г.И., Кохановский А.Ю., Богданов А.А., Маншина А.А., Зуев Д.А. Detection and analysis of protein compounds based on Raman scattering and machine learning 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), стр. 547-547 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624391

43. Кудрявцев Д.С., Можаева В.А., Иванов И.А., Синявин А.Е., Калмыков А.С., Гритченко А.С., Хлебцов Б.Н., Ван Ш.-П., Кан Б., Цетлин В.И., Балыкин В.И., Мелентьев П.Н. Optical detection of infectious SARS-CoV-2 virions by counting spikes Nanoscale, Том 16, номер 26, стр. 12424-12430. (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1039/D4NR01236D

44. Зангане Э., Садриева З., Капитанова П., Богданов А. High-Q Mie resonators for refractive-index sensing Physical Review Applied, Том 21, номер 2, стр. 024028. (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.21.024028?_gl=1*1qj5x4*_gcl_au*MTIwMDg0MjA4Mi4xNzMzMzkyMDQ1*_ga*MTUzNjM3Mjk5Ni4xNzMzMzkyMDQ0*_ga_ZS5V2B2DR1*MTczMzc1MjY0Ni40LjEuMTczMzc1MzA4Ny42MC4wLjk2MjMwNjI5MA..

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Изготовлена бифункциональная сенсорно-каталитическая платформа на основе гибридных металл-полупроводниковых наноструктур Ag/TiO2. Описан механизм формирования структур TiO2 и изучены их структурные свойства. Экспериментально и численно показано, что оптимальная с точки зрения усиления ГКР сигнала толщина напыляемого слоя серебра составляет 10 нм. Продемонстрировано, что формируемые наноструктуры Ag/TiO2 позволяют детектировать антибиотик тетрациклин вплоть до 10-9 M и в 4.4 раза ускорять реакцию его фотокаталитического разложения под действием симулятора солнечного света. Продемонстрирован новый механизм подавления гашения на основе квантовой инженерии состояний излучающей системы, представляющей гибридную наночастицу ядро-оболочка состоит (наностержнь Au с оболочкой PDA толщиной 10 нм), содержащей молекулы красителя Cy 7,5. Показано, что можно контролировать гашение флуоресценции и значительно увеличивать или полностью блокировать скорость излучения систем – более чем на три порядка – путем тщательного формирования их энергетических уровней посредством сильной связи материи и волны. Показано, что с использованием гибридных плазмонных наночастиц возможно эффективно регистрировать единичные вирусные частицы (на примере SARS-CoV-2) в мазке гортани пациента. Подход визуализации вирусных частиц позволяет детектировать единичные вирионы и определять их концентрацию в мазке пациентов. Показана возможность формирования и управления фазовым составом нанопокрытия TiO2 наносекундным лазерным излучением при воздействии на поверхность объемной титановой пластины. Установлено, что нанопокрытия состоят из смеси зерен анатаза и рутила с размерами 22,7−24,4 и 29,8−32,2 нм соответственно. Показано, что изменение количества импульсов на пятно изменяет содержание анатаза на поверхности от 40,6 до 70,4% и влияет на каталитическую активность покрытия, что подтверждается деградацией метиленового синего при воздействии УФ-света. Разработаны и изготовлены микрофлюидные чипы различных типов, включая чипы для оптической сортировки, ультразвукового разделения, интеграции в центрифугу и пассивного разделения в канале в виде спирали, а также необходимая оснастка для проведения экспериментов по разделению частиц нано- и субмикронного размера. Проведены эксперименты по разделению микро- и наночастиц кремния с использованием всех разработанных микрофлюидных чипов. Разработанные методики также позволили создавать чипы для реализации химического синтеза, что продемонстрировано на примере синтеза наночастиц CaCO3. Выполнена однократная и двукратная загрузка наночастиц CaCO3 различными соединениями (доксорубицин, Cy5 или FITC, конъюгированные с BSA, и ДНК) с использованием того же микрофлюидного устройства. Разработана и изготовлена проточная кювета для создания коллоидных растворов частиц кремния (включающих наночастицы, резонансные в видимом диапазоне) при помощи лазерной абляции в воде. Проведены эксперименты по исследованию влияния скорости протока воды на дисперсию и массовый выход частиц в создаваемых коллоидах. Проведено численное моделирование, показывающее способы повышения чувствительности колориметрических биосенсоров за счет применения резонансных гибридных металл-полупроводниковых наночастиц. Изготовлен биосенсор, основанный на сцеплении резонансных Si наночастиц с аналитом, и проведено его предварительное тестирование на С-реактивном белке, детектирование проводилось с применением алгоритмов компьютерного зрения. Разработана трехканальная колориметрическая сенсорная система на основе полистирольных наночастиц для анализа разных аналитов на одной платформе, селективность системы продемонстрирована на примере определения экзосом в буфере, содержащем С-реактивный белок (CRP) и прокальцитонин (PCT). Разработаны гибридные наноструктуры с конфигурацией ядро-оболочка на основе наноалмаза с азото-замещенными вакансиями, диоксида кремния и золота для задач нагрева/термометрии внутри биологических объектов. Численно изучена эффективность нагрева в зависимости от толщины слоев диоксида кремния и золота. Разработаны методики модификации поверхности наноалмазов с азото-замещенными вакансиями различными материалами: диоксидом кремния, золотом, комбинацией из диоксида кремния и золота. Были охарактеризованы морфология поверхности, оптические свойства и строение таких гибридных структур. Продемонстрировано измерение температуры при помощи оптически-детектируемого магнитного резонанса с использованием гибридных наноструктур на основе наноалмазов при одновременном лазерном нагреве, на стекле, внутри живых клеток меланомы B16-F10 и на срезах ткани опухоли. Получены результаты применения методов машинного обучения для анализа аминокислот: решены задачи классификации и регрессии для случая бинарных смесей аминокислот (95% точности достигнуто в задаче классификации, и 1% ошибки - в задаче регрессии); рассмотрена задача идентификации аминокислот в составе смеси из более чем 2 компонент (использовано два способа представления данных: значения интенсивности во всех точках спектра, бинарное кодирование наличия/отсутствия пика интенсивности в заданной точке); gродемонстрирована возможность идентифицировать аминокислоты, в том числе и одновременно, в составе таких белковых соединений как вазопрессин и окситоцин. Также продемонстрирован потенциал сочетания анализа FTIR с регрессионными моделями для оценки биохимии крови на примере анализа сыворотки крови с известными биохимическими параметрами (например, амилаза, белок, билирубин, железо, кальций, мочевая кислота, триглицериды, фосфатаза, холестерин, и др.)

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта позволили сформировать научно-технологический задел (а также коллектив ученых), что необходимо для дальнейшего развития и трансфера разработанных методов и подходов в область приборного применения, что немаловажно с учетом формирующегося рынка портативных персонализированных биосенсорных устройств для внутреннего и внешнего рынка. Доступность и дешевизна систем диагностики (что достигается в том числе за счет использования отечественных технологий), внедрение технологий машинного обучения в анализ полученных результатов, ведение статистики отдельных биомаркеров на большом временном промежутке позволит не только подбирать правильное лечение, но и прогнозировать отдельные заболевания. Разработка таких систем особенно важна с учетом необходимости сохранения и повышения качества жизни трудоспособного населения. Последнее критически важно в условиях ограниченности трудовых ресурсов и демографического старения населения (последнее - общемировой тренд). Поэтому внедрение биосенсорных систем, в том числе тех, концепции которых разработаны и реализованы в проекте на лабораторном уровне, в широкое использование обеспечит экономический рост и социальное развитие Российской Федерации