CC BY
43
успехшна:
Учеными Института физики полупроводников им. A.B. Ржанова СО РАН (Новосибирск) разработана и апробирована технология, ориентированная на массовое производство электронных биохимических сенсоров. Эти доступные и высокочувствительные приборы могут использоваться для ранней диагностики болезней или выявления вредных веществ в окружающей среде
^настоящее время "на основе передовых технологий ' интенсивно разрабатываются новые подходы к анализу состояния здоровья человека, позволяющие обеспечить раннюю диагностику заболеваний в реальном режиме времени при малом количестве анализируемого биологического образца. Примером такого подхода являются молекулярные детекторы с сенсорными элементами в виде кремниевых нанопроволок, отличающиеся высокой производительностью, чувствительностью и биологической совместимостью.
В подобных приборах детектируемая заряженная частица при осаждении на поверхность нанопрово-локи служит локальным «виртуальным» затвором, модулирующим ее проводимость. Если область индуцированной модуляции сопоставима с размерами нанопроволоки, то тогда достигается очень высокая чувствительность сенсорного элемента - на уровне единичной частицы! А покрытие сенсора специальным веществом увеличивает адсорбцию тестируемых частиц.
Электронный чип с массивом сенсорных элементов, устройством для транспортировки образца и встроенной схемой управления является универсальной платформой для молекулярных детекторов различного назначения. Подобная платформа была предложена и реализована в ИФП СО РАН, причем в качестве сенсоров в ней используется нанопроволока, сформированная на основе тончайших слоев кремния на изоляторе (КНИ) толщиной до десятка нанометров.
Особенность данных сенсоров - использование встроенного оксида 8Ю, и кремниевой подложки в качестве подзатворного диэлектрика и тылового затвора, регулирующего чувствительность прибора: в этом случае КНИ-нанопроволока может функци-
онировать как кремниевый нанопроволочныи транзистор. Это означает, что на сенсоре регистрируются не только изменения проводимости при адсорбции частиц, но и его подпороговые транзисторные характеристики. В результате зависимость проводимости от поверхностного потенциала носит не линейный, а экспоненциальный характер, что обеспечивает очень высокую чувствительность устройства.
Такие сенсорные элементы наиболее перспективны для промышленного освоения: технология их изготовления полностью совместима со стандартной техноло-гией производства комплементарных металл-оксидных полупроводников (КМОП). В результате в рамках единой технологии можно создавать на одном кристалле высокочувствительные, быстродействующие и компактные электронные детекторы наподобие популярных сегодня портативных устройств с АавЬ-памятью.
В институте разработана технология изготовления биохимических сенсоров с разделением стандартных высокотемпературных КМОП-процессов и процесса формирования сенсорных элементов, что обеспечивает низкую дефектность и устойчивые характеристики проводимости кремниевых нанопроволок даже без дополнительной термообработки. По этой технологии уже создан и испытан (совместно с Институтом биомедицинской химии РАМН) прототип биохимического детектора с фемтомольной С1015 М) чувствительностью к различным тестовым молекулам, не уступающий лучшим мировым образцам.
Создание подобных детекторов, способных регистрировать единичные патогенные частицы в образце крови за считанные минуты, означает мощный прорыв в диагностике и терапии тяжелых заболеваний с длительным бессимптомным периодом. Они очень востребованы и в фундаментально-прикладных исследованиях в таких областях, как протеомика и метаболомика, для определения содержания конкретных белков и метаболитов в организме человека.
Ключевые слова: кремний на изоляторе, нанопроволоки, белки, бычий сывороточный альбумин (БСА) Key words: silicon-on-insulator, nanowires, proteins, bovine serum albumin (BSA)
Д.ф.-м.н. В. П. Попов (Институт физики полупроводников им. A.B. Ржанова СО РАН, Новосибирск)
чаЯиТий диагност
Молекулы белка
ТТТТТГ?ТТГГТТТТ1
Диоксид кремния
ш
D
Кремниевая подложка
До осаждения белка
При осаждении белка в концентрациях 1015М 10 м М 1013 м
107 :
108:
Напряжение (I/)
60 80 100 120 140
Главное преимущество разработанного в ИФП СО РАН сенсора в том, что он может функционировать как кремниевый нанопроволочный транзистор. Благодаря этому удалось повысить чувствительность и настраиваемость детектора
Испытания сенсора на тестовых молекулах показали их высокую чувствительность и хорошую воспроизводимость результатов.
Вверху-схема принципиального устройства и внешний вид КНИ нанопроволочного транзистора. На графике - динамика характеристик сенсора при неспецифической иммобилизации на него белка бычьего альбумина, взятого при разных концентрациях
Ячейка
для .жидкого образца
Управляющий коммунататор
Электронный чип
Кишечная палочка
11. л
Кремниевый нанопроволочный транзистор, на котором адсорбирована кишечная палочка длиной 3 мкм. Световая микроскопия
В рамках контракта с Федеральным агентством по науке и инновациям изготовлен и испытан лабораторный образец биохимического детектора с фемтомольной (Ю-15 М) чувствительностью. Матрица его электронного чипа состоит из 20 сенсорных элементов длиной 10 рт
Литература
Наумова О.В., Фомин Б.И., Попов В.П., Асеев А.Л. Кремниевые нанопрово-лочные транзисторы для электронных биосенсоров//Автометрия. 2009. Т. 45, №4. С. 6-11.
Naumova О. V., Popov V. P., Safronov L.N.et al. ECS Transactions. 2009. V. 25 (10). P. 83-87.
Попов В. П., Наумова О. В., Фомин Б. И., НасимовД.А. КНИ-нанопроволочные транзисторы для электронных фемтомольных детекторов одиночных частиц и молекул в биожидкостях и газах: Тезисы докладов II Международного форума по нанотехнологиям, 6—8 октября. М., 2009. С. 15—17.
