Разработка методов изготовления биосенсорных устройств на основе полевых транзисторов с каналом-нанопроводом. Разработка методик определения предельно низких концентраций биомолекул в растворах, включая реальные образцы сыворотки крови.
Междисциплинарное научное исследование проводится совместно с кафедрой Химической Энзимологии химического факультета МГУ. Решаются следующие научные задачи: разработка методов изготовления биосенсорных наноустройств на основе полевых транзисторов с каналом-нанопроводом; комплексное исследование физических процессов в экспериментальных образцах наносенсоров, оптимизация их структуры и характеристик с целью повышения чувствительности; разработка методик определения предельно низких концентраций биомолекул в растворах, включая реальные образцы сыворотки крови. Решение этих задач особенно важно в области клинической медицины, где огромную роль играет возможность быстрого и одновременного определения в одном образце сразу нескольких исследуемых веществ.
Актуальность разработки, создания исследования биосенсоров на основе полевых транзисторов с каналом-нанопроводом связана в первую очередь с потребностью миниатюризации диагностических систем и повышением их чувствительности, что, в свою очередь, вытекает из необходимости минимизировать количество исследуемого материала (крови, слюны и т.д.).
Полевой транзистор с каналом-нанопроводом представляет собой структуру из тонкой (< 100 нм) полупроводниковой проволоки - нанопровода, соединеннной с проводящими элект родами стоком и истоком. Ток через транзистор определяется напряжением на затворе, точнее, напряженностью электрического поля, в котором находится нанопровод. Локальные изменения поля достаточной величины также способны изменить проводимость нанопровода, что дает возможность регистрации с помощью такого устройства присоединения к (отсоединения от) поверхности нанопровода малых заряженных частиц.
Схематичное изображения полевого транзистора с каналом-нанопроводом и жидкостной измерительной ячейки.
В реальных сенсорах к поверхности нанопровода присоединяются специальные биомолекулы, которые могут селективно связываться с детектируемыми молекулами ДНК, белками или вирусами. Связывание молекул на поверхности нанопровода приводит к изменению его проводимости, которая регистрируется измерительной системой. Чувствительность подобных сенсоров экстремально высока и достигает уровня аттомоля (10-18 м), а в отдельных случаях позволяет добиться детектирования одиночных молекул или частиц.
В наших исследованиях в качестве материала для изготовления экспериментальных структур используются пластины кремния на изоляторе (КНИ), у которых толщина верхнего слоя кремния составляет величину 110 нм, а изолирующего диэлектрика SiO2 – 200 нм. Структуры транзисторов формируются в верхнем слое кристаллического кремния методом реактивно-ионного травления кремния через металлическую маску. Формирование структур происходит с помощью прецизионной электронно-лучевой литографии (растровый электронный микроскоп Carl Zeiss Supra40 с литографической приставкой Raith-ELPHY Quantum. В качестве материала для подводящих проводов и контактов к кремниевой структуре используются пленки титана толщиной 30 нм, которые покрываются диэлектриком для изоляции от жидкостной среды. Изготовленные чипы помещаются в керамический держатель. Контактные площадки образца соединяются с контактами держателя с помощью ультразвуковой пайки и изолируются герметиком. Основные преимущества используемого метода изготовления — надежность и воспроизводимость процесса, а также совместимость полученного сенсора с традиционной кремниевой технологией, что позволит помещать часть измерительной электроники в непосредственной близости от сенсора.
Фотографии биосенсора на основе полевого транзистора с каналом-нанопроводом и его чувствительного элемента – кремниевого нанопровода.
Фотография экспериментального чипа в жидкостной измерительной ячейки.
Измерения характеристик биосенсоров и исследования по детектированию биообъектов, проводятся в измерительном комплексе, основными блоками которого являлись измерительная ячейка, малошумящий токовый предусилитель, интерфейсный блок электроники, персональный компьютер и микрожидкостная система. При измерении в жидкостной среде, для управления током транзистора помимо основного затвора-подложки пластины КНИ, используется дополнительный затвор - опущенный в раствор электрод сравнения – хлорсеребряный электрод.
ВАХ полевого транзистора с каналом нанопроводом при различных напряжениях на затворе; отклик сенсора на изменение pH раствора.
На предварительной стадии измерений экспериментальных образцов биосенсоров регистрируются вольтамперные затворные и шумовые характеристики транзисторов на воздухе и в буферных растворах, проводится определение их оптимальной рабочей области с максимальной чувствительностью, исследуется чувствительность на изменение pH буферного раствора. После этого проводятся финальные измерения по детектированию белков, например, простат-специфического антигена (ПСА). Предельно обнаруживаемая концентрация ПСА составила величину — 16x10-15 грамм. В продолжении исследований предполагается проверить возможность применения биосенсора на основе полевого транзистора с каналом-нанопроводом для определения специфических белков в реальных образцах сыворотки крови.
Фотография поверхности нанопровода, покрытого золотыми частицами (~25 нм), которые визуализируют число иммунных комплексов, образовавшихся на его поверхности. Число образовавшихся иммунных комплексов равно числу наночастиц золота за вычетом числа наночастиц, связавшихся неспецифично на контрольной зоне такой же площади.
Синхронный отклик двух различных сенсоров на присутствие специфических антител (реакция соединения антигена и антитела) и отсутствие отклика на присутствие неспецифического белка (нет реакции соединения).
Работа поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований. Результаты исследований опубликованы в статьях:
- G. Presnova, D. Presnov, V. Krupenin, V. Grigorenko, A. Trifonov, I. Andreeva, O. Ignatenko, A. Egorov, M. Rubtsova. Biosensor based on a silicon nanowire field-effect transistor functionalized by gold nanoparticles for the highly sensitive determination of prostate specific antigen. Biosensors and Bioelectronics, 88, 283–289, 2017.
- M.Yu Rubtsova, G.V. Presnova, V.A. Krupenin, D.E. Presnov, V.G. Grigorenko, A.M. Egorov. Biosensor based on a nanowire field-effect transistor for the determination of prostate specific antigen. Procedia Technology, 27, 234–235, 2017.
- Г.В. Преснова, Д.Е. Преснов, В.Г. Григоренко, А.М. Егоров, М.Ю. Рубцова. Ориентированная иммобилизация антител и их фрагментов на модифицированном кремнии для создания наносенсоров. Вестник Московского университета. Серия 2: Химия, 57(2), 82–88, (2016).
- D.E. Presnov, S.V. Amitonov, P.A. Krutitskii, V.V. Kolybasova, I.A. Devyatov, V.A. Krupenin, I.I. Soloviev. A highly ph-sensitive nanowire field-effect transistor based on silicon on insulator. Beilstein journal of nanotechnology, 4, 330–335 (2013).
- Преснова, Г. В., Преснов, Д. Е., Крупенин, В. А., Уляшова, М. М., Егоров, А. М., and Рубцова, М. Ю. Мультианализ онкомаркеров щитовидной железы на поверхности пористых и полупроводниковых носителей с использованием наночастиц золота в качестве метки. Вестник Московского университета. Серия 2: Химия, 59(4), 282–289, (2018). Presnova, G. V., Presnov, D. E., Krupenin, V. A., Ulyashova, M. M., Egorov, A. M., and Rubtsova, M. Y. Multianalysis of thyroid cancer markers on porous membrane surface and semiconductor supports using gold nanoparticles as label. Moscow University Chemistry Bulletin 73(4), 173–178, (2018).