Новый портативный прибор выявляет микропластик и признаки рака с 90% точностью

Новости МирТесен

Наибольшую угрозу для экологии и здравоохранения представляют невидимые наночастицы. С одной стороны, это микропластик, который обнаруживается даже в крови людей и способен вызывать хронические воспалительные процессы, а также провоцировать развитие онкологических заболеваний. С другой стороны – биологические индикаторы, предупреждающие о наличии опухоли задолго до того, как она станет видна на томографических снимках. Их выявление возможно при помощи флуоресцентной корреляционной спектроскопии – технологии, позволяющей обнаруживать отдельные молекулы. Однако, используемое для этого оборудование отличается громоздкостью, высокой стоимостью (миллионы рублей) и зависимостью от лабораторных условий. В процессе доставки образца наночастицы осаждаются, агрегируются или подвергаются разрушению, а биологические маркеры разлагаются в течение получаса транспортировки. Как следствие, исследователь получает неточные результаты. В целях решения данной задачи специалисты Пермского Политеха в сотрудничестве с исследователями из Московского центра передовых исследований, МГУ, Российского квантового центра и южнокорейского Университета Сонгюнгван разработали первый в мире компактный прибор, использующий оптоволокно и металинзу. Устройство позволяет выявлять отдельные наночастицы непосредственно при заборе образца, обеспечивая точность до 90%.

Статья опубликована в журнале «Advanced Optical Materials», 2026 г.

Выявление наночастиц является одной из ключевых задач в современной экологии и медицине. Наибольшую угрозу представляют невидимые невооруженным глазом частицы, размер которых составляет менее 5 микрон (что приблизительно в 20 раз меньше толщины листа бумаги). Речь идет о двух различных, но не менее значительных рисках. С одной стороны, это микропластик – его обнаруживают даже в крови человека. Проникновение в организм вызывает хроническое воспаление, повреждение клеток и может стать причиной онкологических и аутоиммунных заболеваний, при которых иммунная система атакует собственные ткани организма).

С другой стороны, речь идет о микроскопических биологических маркерах, таких как внеклеточные везикулы – крошечных пузырьках, выделяемых клетками в кровь. Они способны передавать информацию о формировании раковой опухоли еще до того, как она станет заметна на снимках, полученных с помощью томографа – аппарата для визуализации внутренних органов. Если удастся разработать методы для их выявления, то рак можно будет диагностировать на самой ранней стадии, когда терапия наиболее перспективна.

В обоих ситуациях ключевым является своевременное выявление угрозы. В настоящее время для этого применяют флуоресцентную корреляционную спектроскопию – технологию, основанную на возбуждении частиц лазерным излучением, после чего по их перемещению устанавливают их размер и концентрацию.

Это точный метод, позволяющий наблюдать даже отдельные молекулы. Однако у него есть существенный недостаток: всё необходимое оборудование отличается крупногабаритностью, стоит несколько миллионов рублей и не может быть перенесено. Поэтому в большинстве случаев отбирают образец воды или крови, транспортируют его в лабораторию и проводят анализ там. Но при работе с наночастицами такой метод даёт неверные результаты. В процессе транспортировки частицы оседают на стенках контейнера, агрегируются, разрушаются под воздействием света. Таким образом, в лабораторию поступает уже изменённый материал, отличный от того, что был изначально в реке или крови пациента. Особенно это критично, если речь идёт о раковых маркерах, которые могут деградировать за полчаса транспортировки. Поэтому специалистам необходим прибор, способный работать непосредственно в месте забора образца.

Для решения данной задачи ученые Пермского Политеха в сотрудничестве с исследователями из Московского центра передовых исследований, Российского квантового центра, МГУ и южнокорейского Университета Сонгюнгван создали первый в мире компактный прибор. Он основан на оптоволокне и металинзе и позволяет выявлять отдельные наночастицы непосредственно при заборе образца с точностью, достигающей 90%.

Устройство состоит из оптоволоконного кабеля, аналогичного тому, что используется для подключения к интернету, с нанесением на его конец металинзы. Металинза – это сверхтонкая пластинка, включающая миллионы микроскопических кремниевых столбиков, каждый из которых функционирует как миниатюрная световая антенна, то есть улавливает и перенаправляет световые волны. Перед исследованием наночастицы обрабатывают специальным красителем, который обеспечивает их свечение под воздействием лазера. Далее лазерный луч направляется по кабелю, металинза фокусирует его в очень маленькую точку. Когда лазерный импульс воздействует на обработанный объект, он генерирует ответный сигнал, который фиксируется тем же кабелем и передается на компьютер.

Для оценки результативности предложенной методики исследователи осуществили ряд экспериментов. В ходе работы применялись флуоресцентные полимерные гранулы различного размера, начиная с микроскопических и заканчивая крупными, а также изолированные белковые молекулы.

— Прибор демонстрировал высокую точность в обнаружении всех указанных объектов. Он эффективно работал даже при чрезвычайно низких концентрациях — когда количество частиц достигало всего нескольких сотен миллионов на литр воды или крови. Это сопоставимо с поиском иголки в стоге сена. Важным достижением стало определение оптимальной толщины оптоволокна, которая составила 50 микрон — это приблизительно равно половине диаметра человеческого волоса. Если волокно было бы слишком тонким, оно практически не фиксировало бы сигнал, а если слишком толстым — фокус размывался бы, и снижалась чувствительность к малым частицам, — рассказал Александр Сюй, профессор кафедры общей физики ПНИПУ, доктор физико-математических наук.

Прибор компактен и легко помещается в ладони, его эксплуатация не требует сложной настройки, а также он отличается устойчивостью к вибрациям. Практические испытания, проведенные учеными, подтвердили это: конструкцию держали в руках, перемещали по помещению, изгибали оптоволоконный кабель, и в каждом случае результаты оставались неизменными. По результатам сравнения с измерениями, выполненными на стандартном лабораторном микроскопе, точность прибора составила 85–90%. Это свидетельствует о том, что он корректно определяет концентрацию наночастиц в исследуемом образце. Даже при перемещении исследователей на расстояние нескольких метров сигнал не подвергался искажениям. Следовательно, устройство применимо в полевых условиях – на берегу реки, на промышленном предприятии, в машине скорой помощи – без ущерба для качества анализа.

Таким образом, будущие разработки ученых дадут возможность не только фиксировать загрязнение или заболевание, но и определять их моментально, непосредственно в месте происшествия — что исключит потерю времени и искажение данных. Это позволит экологам быстро реагировать на утечки пластика и выявлять источники загрязнения, а врачам — проводить предварительную диагностику пациентов в бригаде скорой помощи или в поликлинике, без необходимости проведения дорогостоящих лабораторных исследований.