Mokslas

Projekto Nr. 13.1.1-LMT-K-718-05-0015

Projekto pavadinimas: Biojutiklis iš nanosluoksniuotų struktūrų SARS-COV2 nustatymui

Projekto vykdymo laikotarpis: nuo 2021-11-03 iki 2023-08-31

Projekto mokslinio tyrimo vadovė: prof., dr. habil. proc. Nerija Žurauskienė

 

Lietuvoje kaip ir visame pasaulyje didėja užsikrėtimų ir mirčių atvejų nuo COVID-19 ligos skaičius.  Besimptomis viruso plitimas yra vienas didžiausių iššūkių COVID-19 pandemijos valdyme. Praktiškai  neįmanoma aptikti tokių atvejų be nuolatinio plataus bendruomenės testavimo. Todėl yra svarbu sukurti paprastus, neinvazinius įrankius ir metodus, kurie leistų atlikti testus kiekvienam žmogui be specialaus pasirengimo. Vis dažniau pradedama taikyti nanomedžiagų pagrindu sukurtus biojutiklius, kuriuos galima būtų panaudoti viruso nustatymui tiesiai iš paciento iškvepiamo oro. Vieni iš tokių - magnetiniai biojutikliai, kurie pasižymi greitu testo atsakymu. Tokių jutiklių veikimo principas pagrįstas magnetinių nanodalelių sukurtu magnetinio lauko matavimu. Šiuo atveju magnetinė nanodalelė yra funkcionalizuojama antikūnais arba DNR/RND žymėmis, kurios specifiškai atpažįsta taikinio (viruso) analitės molekules, o biojutiklio paviršius imobilizuojamas antikūnais, kurie atpažįsta virusą ir jį pagauna kartu su nanodalele. Šio projekto tikslas - išvystyti jutiklių iš nanosluoksniuotų struktūrų technologijas ir sukurti biojutiklio prototipą SARS-COV2 viruso aptikimui. Numatoma sukurti dviejų tipų biojutiklius: gigantinės magnetovaržos (GMR) nanosluoksniuotų darinių jutiklius bei Holo jutiklius iš grafeno. Projektą vykdys FTMC ir KTU mokslininkai, dirbantys nanosluoksniuotų darinių auginimo, tyrimų ir taikymų srityje. FTMC mokslininkų grupė tobulins GMR jutiklių technologiją, auginant struktūras iš pažangių Heuslerio lydinių sluoksnių bei vykdys biomolekulių imobilizavimo tyrimus ant skirtingų struktūrų paviršių. KTU grupė tobulins jutiklių iš grafeno technologiją, sintezuojant grafeną ant specialaus padėklo. Išvysčius nanosluoksnių auginimo technologijas bei sukūrus biojutiklių iš GMR bei grafeno struktūrų maketus, galutiniam produktui bus pasirinkta optimali jautrio ir signalas/triukšmas santykio požiūriu struktūra ir sukurtas biojutiklio prototipas SARS-COV2 viruso nustatymui.

 

Siekiamas rezultatas: išvystyti nanosluoksnių auginimo technologijas bei kūrti biojutiklių, iš GMR bei grafeno struktūrų, maketus SARS-COV2 viruso nustatymui.

 

Projekto baigiamosios ataskaitos santrauka
Ankstyvas SARS-CoV-2 nustatymas yra labai svarbus, siekiant užkirsti kelią greitam ligos plitimui, ypač atsižvelgiant į tai, kad nuolat daugėja mutacijų, kurios gali neigiamai paveikti diagnostikos tikslumą. Įprasti metodai – PGR (polimerazės grandininė reakcija) ir ELISA (fermentais susieto imuno-sorbento analizė) netinka greitiems didelio masto tyrimams. Todėl mokslininkai aktyviai ieško prieinamo, patikimo ir paprasto metodo, kuriuo būtų galima tiksliai nustatyti SARS-CoV-2.
Šio projekto tikslas – išvystyti jutiklių iš nanosluoksniuotų struktūrų technologijas ir sukurti biojutiklio prototipą SARS-COV-2 viruso aptikimui.
Įgyvendinant šį tikslą buvo sprendžiamas toks uždavinys: išvystyti nanosluoksniuotų struktūrų iš magnetikų bei grafeno sluoksnių auginimo technologijas ir sukurti biojutiklio, skirto SARS-CoV-2 viruso aptikimui, prototipą.
Projekto vykdymo metu buvo išvystytos magnetovaržinių (MR) struktūrų (kolosalios CMR, gigantinės GMR, Heuslerio lydinių) auginimo technologijos, naudojant impulsinį-injekcinį MOCVD bei magnetroninį dulkinimą, optimizuojant tiek auginimo sąlygas, tiek ir sluoksnių storį bei medžiagų cheminę sudėtį. Nustatyta ir užauginta GMR sukinių sklendės konfigūracija, kurios magnetovaržos sąvybės tenkino reikalavimus biojutiklio sukūrimui:
Si/SiO₂/Ta(5nm)/IrMn(15mn)/CoFe(4nm)/Cu(2,5nm)/CoFe(5nm)/Ta(5nm).
Lygiagrečiai buvo vystomos grafeno tiesioginės sintezės mikrobangų plazma aktyvuoto cheminio garų nusodinimo būdu (MW-PECVD) bei komercinio grafeno pernešimo ant padėklo technologijos. Grafeno struktūros ir paviršiaus morfologijos analizei panaudojus Ramano sklaidos spektroskopijos ir atominės jėgos mikroskopijos metodus, buvo optimizuota MW-PECVD technologija, siekiant minimalaus grafeno sluoksnių skaičiaus ir sumažinto defektiškumo bei maksimalaus krūvininkų judrio.
Buvo išvysta sukurtų elementų paviršių funkcionalizavimo bei imobilizavimo specialiomis biomolekulėmis technologijos bei mikroskystinė viruso detektavimo sistema.
Sukurtas biojutiklio prototipas, pasirinkus grafeno  lauko tranzistoriaus G-FET konfigūraciją. Funkcionalizavus grafeno paviršių PBASE (1-pirenbutano rūgšties sukcinimidilo esteriu) bei imobilizavus receptorių ACE2, mikroskystinėje sistemoje buvo išmatuotos G-FET su skystąja užtūra perdavimo charakteristikos ir nustatyta Dirako įtampos poslinkio priklausomybė nuo SARS-COV-2 viruso variantų koncentracijos iki 50 μg/ml. Viruso detektavimo riba LoD eksperimentiškai gauta 10-50 ag/ml, priklausomai nuo viruso varianto. Buvo padaryta išvada, kad tiek pernešto ant padėklo, tiek ir MW-PECVD būdu tiesiogiai susintetinto grafeno FET biojutiklis, pasižymintis dideliu jautriu ir žema aptikimo riba, turi puikų potencialą pritaikant jį COVID-19 diagnostikoje.
Projektą vykdė Fizinių ir technologijos mokslų centro mokslininkai kartu su partnerio Kauno technologijos universiteto mokslininkais. Projekto įvykdymo rodikliai - atspausdintos dvi mokslinės publikacijos (https://doi.org/10.3390/s22114004; https://doi.org/10.3390/nano13162373), vienas straipsnis pateiktas žurnalo redakcijai, o sukurto SARS-COV-2 viruso biojutiklio prototipo aprašymas yra pateiktas internetiniu adresu: https://www.ftmc.lt/funkciniu-medziagu-ir-elektronikos-skyrius (Vykdomi projektai). 

Finansavimas: Projektas finansuotas Europos regioninės plėtros fondo lėšomis kaip Europos Sąjungos atsako į COVID-19 pandemiją priemonės Nr. 13.1.1-LMT-K-718 „Tiksliniai moksliniai tyrimai sumanios specializacijos srityje“ veiklą „Aukšto lygio tyrėjų grupių vykdomi moksliniai tyrimai, skirti kurti ūkio sektoriams aktualias MTEP veiklų tematikas atitinkančius rezultatus, kurie vėliau galėtų būti komercinami“.