4.4.3. Биологическое детектирование боевых отравляющих веществ

Дж. Мердэй¹

Нанотехнология может внести коренные изменения в методы защиты от хими­ческого и биологического оружия. Например, объединение химических, физи­ческих и биологических подходов позволяет создать наноразмерные датчики

Рис. 4.6. Использование канареек в качестве индикаторов отравляющего газа (фото из газе­ты «Санкэй симбун»).

нового типа для обнаружения боевых биологических и химических средств. Такие устройства могут найти применение также в обычной медицинской практике и при ликвидации последствий природных катастроф. Необходи-

Рис. 4.7. Регистрация возбудителей сибирской язвы. При наличии возбудителя две наночастицы объединяются посредством участков ДНК, что приводит к изменению цвета суспензии (рисунок от С. Mirkin, Northwestern University).

мость разработки подобных датчиков не вызывает сомнений, поскольку, на­пример, в известном инциденте с применением в 1995 г. террористами секты «Аум сенрике» химического оружия полиция для обнаружения нервно-пара­литического газа использовала канареек (рис. 4.6). В рамках оборонных про­грамм сейчас разрабатываются несколько типов таких датчиков. Две техноло­гии уже близки к внедрению в производство и могут найти применение также в медицине.

По одной из этих технологий был создан колориметрический датчик биоло­гических агентов ДНК, который успешно прошел испытания по обнаружению (рис. 4.7) возбудителей сибирской язвы и туберкулеза [11]. Новый датчик не только значительно проще и дешевле (примерно в 10 раз) существующих уст­ройств, но и обладает повышенной чувствительностью — он может зарегист­рировать расхождение в один нуклеотид для последовательности из 24 нуклео-тидов (для статистически достоверной идентификации необходимо опреде­лить последовательность из 17 нуклеотидов).

Предложена также нанотехнология (рис. 4.8) биохимического анализа с использованием АСМ. Иммунопроба, обладающая сэндвич-структурой, помещается на магнитной частице, прикрепленной к микрорычагу, регистри-

Рис. 4.8. АСМ с иммунопробой [13] (© 1996 American Vacuum Society)

рующему очень малые смещения [12]. В лабораторных условиях этот метод оказался в 100—1000 раз чувствительнее, чем используемые в настоящее время методики.

Оба описанных метода иммунологического анализа (колориметрический и магнитный) могут реализоваться в детекторных матрицах, обеспечивающих одновременное обнаружение большого числа патогенов. Например, присутст­вие магнитных частиц может регистрироваться описанными выше считываю­щими устройствами с эффектом ГМС [12].

4.4.4. Флуоресцентные биологические метки на основе полупроводниковых нанокристаллов

П. Аливисатос¹

Уже более десяти лет ведутся интенсивные исследования, направленные на изготовление высокачественных наноразмерных коллоидных кристаллов из распространенных полупроводниковых материалов. В начальный период их основной целью было выявление закономерностей и размерных эффектов, связанных с квантовым удерживанием электронов и дырок. За прошедшие го­ды были достигнуть! значительные успехи как в методах получения кристал-

Рис.4.9. Применение полупроводниковых нанокристаллов в качестве биологических меток.

лов, так и в спекроскопических исследованиях, что позволило создать новый класс устойчивых макромолекулярных структур с легко регулируемой энер­гией излучения, в результате чего возможности практического использования такой технологии значительно расширились, и исследователи переключили свое внимание на оптоэлектронику. Затем было обнаружено, что коллоидные нанокристаллы могут использоваться в качестве флуоресцентных меток в экс­периментах с биологической маркировкой, которые сейчас являются одним из самых важных и распространенных методов диагностики и визуализации. Согласно рис. 4.9, коллоидные нанокристаллы в качестве биометок превосхо­дят используемые в настоящее время органические красители [14,15]. Это об­стоятельство может обеспечить быструю коммерциализацию новой нанотех-нологии.