В связи с техническими работами в центре обработки данных, возможность загрузки и скачивания файлов временно недоступна.
 

Разработка мультисенсорной диагностической системы на основе полевых транзисторов с каналом-нанопроводом для исследования биоспецифических взаимодействийНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 22 апреля 2016 г.-31 декабря 2016 г. Разработка мультисенсорной диагностической системы на основе полевых транзисторов с каналом-нанопроводом для исследования биоспецифических взаимодействий
Результаты этапа: Разработка и исследование сверхчувствительных биосенсоров на основе полевого транзистора с каналом-нанопроводом для мониторинга динамики биологически активных соединений в режиме реального времени позволят создавать диагностические системы нового поколения для биологии и медицины. В рамках текущего проекта были разработаны методы изготовления наноразмерных структур биосенсоров, которые являются основными компонентами мультисенсорных диагностических систем; был проведен скрининг специфических моноклональных антител, позволяющий выбрать наиболее эффективные пары для создания высокочувствительных биосенсоров; была разработана многоканальная измерительная система и продемонстрирована одновременная регистрация откликов двух независимых сенсоров на внешнее воздействие в режиме реального времени. По результатам работ опубликованы статьи в высокорейтинговых реферируемых журналах, сделаны доклады на российских и международных конференциях.
2 8 августа 2017 г.-31 декабря 2017 г. Разработка мультисенсорной диагностической системы на основе полевых транзисторов с каналом-нанопроводом для исследования биоспецифических взаимодействий
Результаты этапа: Главной фундаментальной целью проекта является создание и исследование сверхчувствительной мультисенсорной диагностической системы на основе полевых транзисторов с каналом-нанопроводом для практического применения в биологических и медицинских исследованиях. Работа системы основана на изменении проводимости нанопровода при связывании регистрируемых молекул на его поверхности. Чувствительный элемент системы - кремниевый нанопровод имеет очень маленькие размеры, что позволяет достигать уникальной чувствительности системы и минимизировать количество исследуемого органического материала. В рамках текущего этапа выполнения проекта значительно улучшены и оптимизированы методы изготовления полевых транзисторов с каналом-нанопроводом, которые являются основными чувствительными элементами биосенсорных диагностических систем; оптимизирована геометрия расположения транзисторов в мультисенсорной конфигурации; предложен и реализован метод изготовления транзисторов из неравномерно легированного по глубине кремния на изоляторе, позволяющий последовательно уменьшать исходную проводимость канала; исследованы транспортные и шумовые характеристики изготовленных структур; проведены измерения полевых транзисторов с каналом-нанопроводом, регистрирующие отклики на изменения в реальной биологической среде; достигнута зарядовая чувствительность транзисторов на уровне 0.1 е/Гц1/2 на частоте f = 10 Гц; проведена модернизация многоканальной измерительной системы, позволившая увеличить диапазон затворных напряжений и скорость регистрации данных. Разработан оригинальный метод ориентированной иммобилизации специфических антител на поверхности каналов транзисторов с использованием наночастиц золота, обеспечивающий необходимую ориентацию активных центров антител. Продемонстрирована высокая чувствительность биосенсора к изменению кислотности (pH) раствора в 60±1 мВ на единицу изменения рН и инверсия сигнала вблизи pI анализируемого белка; разработан протокол отмывки нанопровода в процессе измерений без потери чувствительности сенсора; продемонстрировано детектирование сверхмалых концентраций тиреотропного гормона; разработан метод ориентированной иммобилизации олигонуклеотидных зондов, модифицированных тиоловой группой, на поверхности кремния; оптимизированы условия проведения гибридизации иммобилизованных идентификационных олигонуклетидных зондов и синтетической ДНК-мишени, представляющей собой фрагмент гена бактерий E.coli. По результатам работ 2-го года выполнения проекта было опубликовано 3 статьи в реферируемых научных журналах, получен патент Российской Федерации и сделано 5 докладов на российских и международных научных конференциях.
3 23 ноября 2018 г.-31 декабря 2018 г. Разработка мультисенсорной диагностической системы на основе полевых транзисторов с каналом-нанопроводом для исследования биоспецифических взаимодействий
Результаты этапа: В ходе выполнения междисциплинарного научного исследования была разработана высокочувствительная мультисенсорная система для определения биологически важных соединений в предельно низких концентрациях. Это стало возможным благодаря совмещению уникальных методов изготовления наноразмерных структур, специально разработанных алгоритмов сбора и обработки сигнала, оригинальных методов ковалентной иммобилизации распознающих специфических биомолекул, оптимизации условий осуществления биоспецифических взаимодействий и методов регенерации поверхности нанопроводов. Работа мультисенсорной системы основана на одновременном использовании нескольких транзисторов с каналом-нанопроводом и модификации поверхности канала биомолекулами разной специфичности. Регистрация анализируемых молекул проводится по изменению проводимости полевого транзистора при их связывании с распознающими биомолекулами на поверхности каждого нанопровода. Для изготовления основного чувствительного элемента сенсора был разработан КМОП совместимый технологический метод, основанный на использовании процесса реактивно-ионного травления верхнего слоя кремния на изоляторе (КНИ) через маску, сформированную с помощью электронно-лучевой литографии. С его помощью в разных областях одного чипа были сформированы несколько независимых структур транзисторов, что позволило проводить независимую модификацию каждой области чипа различными реагентами и выполнять одновременные независимые измерения. Был предложен и реализован метод изготовления транзисторов из неравномерно легированного по глубине кремния на изоляторе, позволяющий последовательно уменьшать исходную проводимость канала. Исследование транспортных и шумовых характеристик изготовленных структур позволило определить методику выбора оптимальной рабочей точки транзистора с максимальным отношением сигнала к шуму. Достигнутая зарядовая чувствительность составила величину ~ 0.1 е/Гц1/2 на частоте f = 10 Гц. Проведено изучение резонансных свойств подвешенных кремниевых нанопроводов, которое показало, что они могут быть использованы в качестве сверхчувствительных датчиков массы для детектирования белков (с массой от 10 кДа и выше), вирусов и других биомолекул, в том числе в составе молекулярных биокомплексов. Разработан оригинальный метод модификации поверхности нанопровода бифункциональными реагентами и золотыми наночастицами небольшого размера (3-5 нм), поверхность которых используется для ковалентной иммобилизации антител в качестве распознающих биомолекул. Построенная электростатическая модель показала, что такая методика позволяет существенно увеличить эффективную сенсорную площадь нанопровода (до 6 раз) и емкостную электрическую связь между поверхностью нанопровода и детектирумым соединением. Данные были подтверждены экспериментально – чувствительность при использовании нанопроводов, модифицированных таким методом, достигает значения теоретически рассчитанного верхнего предела сдвига порогового напряжения 70±1 мВ на единицу изменения рН. В качестве анализируемых молекул в данной работе исследуются два белка - тиреотропный гормон гипофиза (ТТГ) и тиреоглобулин (ТГ), представляющие собой важные биомаркеры в клинической диагностике для распознавания патологий щитовидной железы. В качестве распознающих биомолекул использовали фрагменты специфических антител, ориентировано иммобилизованных на поверхности нанопроводов. Было выбрано два типа моноклональных антител, характеризующихся высоким значением константы аффинности и не имеющих перекрестной специфичности. Фрагменты данных антител, имеющих свободные тиоловые группы, иммобилизовали на каналах-нанопроводах двух отдельных транзисторов. Были исследованы условия биоспецифических взаимодействий антител с ТТГ и ТГ, представляющих собой белки, существенно различающихся по массе и заряду. Взаимодействие антител с белками изучали с использованием буферных систем, включающих модельный раствор сыворотки крови человека. Исследование биоспецифических взаимодействий разных белков проводили отдельно, а также одновременно в одной системе с двумя транзисторами. Предел обнаружения белков в одном анализе составил для ТТГ: (0,10±0,07)×10-3мкМЕ/мл, для ТГ: 6,0±0,9 пг/мл, что существенно ниже, чем у применяемых в настоящее время методов стандартного твердофазного иммуноферментного анализа. Проведена оптимизация биосенсора на основе транзистора с каналом-нанопроводом для определения бактерий E.coli методом молекулярно-генетического анализа с использованием иммобилизованного олигонуклеотидного зонда. Разработан оригинальный метод ориентированной ковалентной иммобилизации олигонуклеотидных зондов, модифицированных тиоловой группой. Исследованы возможности данного биосенсора для проведения гибридизации ДНК бактерий в условиях низкой ионной силы, необходимой для увеличения толщины двойного электрического слоя, определяемой длиной Дебая. Предложен протокол отмывки нанопроводов после проведения гибридизационного анализа ДНК с целью их многоразового использования. По результатам работ по проекту было опубликовано 9 статей в реферируемых научных журналах, получен патент Российской Федерации и сделано 13 докладов на российских и международных научных конференциях.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".