В условиях новой короновирусной инфекции (COVID-19) на мировую повестку дня вышла проблема защиты населения от опасных микроорганизмов. Благодаря возможности сознания компактных сенсоров, разработка может найти применение в системах промышленного производства (системах отчистки воздуха, кондиционерах и т.д.) и методиках анализа качества продукта (пробы воды и др. жидкостей).

Научная новизна предлагаемых в проекте решений: Данный проект представляет собой интеграцию современных решений как в области конфигурации биосенсора, так и в области вычислительной техники.

В качестве платформы для разработки ПО используется высокопроизводительный ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема). Данная платформа позволяет проводить сложные многопоточные вычисления данных, а также их обработку в режиме реального времени. Новым решением в области микромеханических биосенсоров является внедрение оригинальных алгоритмов усреднения сигнала и обработки экспериментальных данных, что позволит снизить требования по эксплуатации прибора, а также повысить его чувствительность. Также платформа ПЛИС позволяет перевести разработку на заказные платы ASIC (application spesific integral circuit), что существенно снизит стоимость конечного продукта для потребителя.

В качестве конфигурации биосенсора используется схема измерения продольных колебаний пьезокерамического биочипа. Такая схема является более перспективной, чем распространенные статический и динамический режимы детекции вирусных частиц. Основным ее преимуществом является высокая добротность при работе в жидкостях, однако ранние исследования с подобной конфигурацией не зарегистрировали одиночных частиц. Данная разработка ставит перед собой цель добиться такого уровня чувствительности.

В итоге основными преимуществами разработки являются: портативность, высокая точность, доступность, более низкие требования по эксплуатации.

Обоснование необходимости проведения НИР: В настоящее время остро стоит вопрос создание эффективных и высокоточных экспресс тест систем по обнаружению вирусных частиц. В условиях возникновения новых опасных для человека вирусных заболеваний необходим метод, способный быстро адаптироваться к подомным условиям. Всеми этими характеристиками обладает биосенсор, работающий по принципу регистрации смещения резонансной частоты пьезокерамического чипа при осаждении на его рецепторном слое вирусных частиц. Данное устройство позволит эффективно, а главное, быстро определять концентрацию вируса гриппа А и других вирусов в образце. Для сравнения, одним из самых популярных на сегодня методом тестирования (в частности для выявления новой короновирусной инфекции) является ПЦР тестирование, время проведения которого составляет от 60 минут и требует особое оборудование. Данная разработка будет способна провести анализ менее, чем за 30 минут, а также не будет требовать специального оборудования и сможет проводиться на месте. Особый акцент будет уделен программному обеспечению проекта, которое сможет адаптироваться к условиям конкретного измерения и за счет алгоритмов обработки увеличивать их точность. Также будет реализована возможность дистанционного анализа.

Основные технические параметры, определяющие количественные, качественные и стоимостные характеристики продукции (в сопоставлении с существующими аналогами, в т.ч. мировыми): Основные технические параметры прибора:
• Конфигурация биосенсора - резонансный кантилевер/пьезокерамический диск
• Метод регистрации - оптический/резистивный
• Чувствительность сенсора - менее 1000000 частиц/мл
• Время проведения анализа - менее 30 минут
• Рецепторный слой для регистрации вируса гриппа А - сиаловые кислоты
• Hardware platform – FPGA Sparta SP 605 с тактовой частотой 200 МГц; ADC AD7984 с максимальной частотой 1 МГц; синтезатор частоты AD9954 с диапазоном генерируемых частот 0.03 Гц-2 МГц
• Software platform – Qt4

Различные конфигурации сенсора расширяют его область применения и позволяют ему существовать как в виде отдельного устройства, так и в виде режима для атомного-силового микроскопа.
Выбор вируса гриппа А в качестве основного образца для исследований обусловлен известностью методов по созданию рецепторного слоя и условий для проведения эксперимента.
Выбор сиаловых кислот в качестве рецепторного слоя позволяет сравнить конкурирующие эффекты присоединенной массы и изменения жесткости материала сенсора, а также имеет перспективу в медицинских исследованиях из-за содержания подобных соединений в организме человека.
Выбор ПЛИС в качестве hardware платформы позволяет использовать его высокие вычислительные мощности для проведения многопоточного анализа, а также позволяет внедрить инновационные алгоритмы обработки и фильтрации сигнала в режиме реального времени.
Software платформа позволяет использовать операционные системы Windows, MacOS и Linux для проведения анализов. Таким образом увеличивается универсальность прибора.
Для работы с сенсором от пользователя не требуется особых знаний и умений. В комплекте поставки клиент получит подробную документацию по эксплуатации прибора, а также услугу технической поддержки при возникновении дополнительных сложностей.

На страницу проекта