Изучение взаимодействия вирионов гриппа с поверхностью кремниевых наноструктур для экспресс диагностики вирусных инфекцийНИР

The study of the interaction of influenza virions with the surface of silicon nanostructures for rapid diagnosis of viral infections

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 10 мая 2017 г.-31 декабря 2017 г. Изучение взаимодействия вирионов гриппа с поверхностью кремниевых наноструктур для экспресс диагностики вирусных инфекций
Результаты этапа: 1) Изготовлены образцы кремниевых наноструктур в виде пленок пористого кремния (PSi), окисленных пленок пористого кремния (PSi-ox), массивов пористых кремниевых нанонитей (HD-SiNWs), массивов непористых кремниевых нанонитей (LD-SiNWs), пленок двойной пористости (DPSi). Были всесторонне исследованы структурные и физические свойства полученных образцов с помощью методов электронной микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС), инфракрасной спектроскопии и проч. Отметим, что в работе впервые был предложен метод изготовления слоев пористого кремния двойной пористости DPSi. 2) Показано, что образцы образцы DPSi и HD-SiNWs обладают эффективной фотолюминесценцией (ФЛ) в видимой области спектра, чувствительной к молекулярному окружению. Продемонстрирована возможность создания на их основе многоразовых оптических сенсоров. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pssa.201700565/full 3) Впервые предложен новый способ получения ФЛ HD-SINWs путем металл-стимулированного химического травления металлургического кремния, полученного из остатков производств пластин c-Si. Было показано, что полученные нанонити также характеризуются эффективной ФЛ в красной области спектра и могут найти свое применение для визуализации биообъектов. http://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1591/aa8c33/meta 4) Изучено неспецифическое связывание вирионов гриппа H1N1 с поверхностью полученных кремниевых наноструктур в сериях биологических и физических экспериментов. Доказано, что наилучшей неспецифической сорбцией вирионов обладают подложки кремниевых образцов с двойным пористым слоем DPSi. Впервые предложено и показана эффективность использования пленок DPSi в качестве оптических сенсоров на микробиологические объекты. http://jes.ecsdl.org/content/164/12/B581.short 5) Изучены цитотоксические свойства изготовленных образцов наноструктур кремния. Показано, что после автоклавирования наноструктур они становятся полностью биосовместимыми: живые клетки культивируются на их поверхности так же, как и на специально предназначенном для этого культуральном пластике. 6) Создана экспериментальная установка, позволяющая в режиме реального времени изучать сенсорный отклик от образцов наноструктур при их нахождении в воздушной среде с вирионами. 7) Разработан прототип сенсора на вирусы на основе DPSi. Произведен расчет электрической схемы детектирования вирусов. Проведено измерение импеданса разработанного сенсорного элемента, в том числе при неспецифической сорбции на его поверхность вирусов H1N1. Установлено четкое понижение адмиттанса/емкости сенсорного элемента примерно на 15%. на частоте 500 КГц при сорбции вирионов. Таким образом, в работе установлена чувствительность импеданс-отклика сенсорного элемента на основе DPSi к нахождению в воздушной среде с вирионами H1N1.
2 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Изучение взаимодействия вирионов гриппа с поверхностью кремниевых наноструктур для экспресс диагностики вирусных инфекций
Результаты этапа: 1) Получены необходимые для проведения экспериментов образцы в достаточном количестве (более 1000 штук). Проверены свойства воспроизводимости структурных и оптических свойств от образца к образцу и от партии к партии. Установлено, что получаемые образцы пористого кремния двойной пористости (DPSi) обладают достаточно хорошей воспроизводимостью по данным микроскопии и оптической спектроскопии. 2) Проведены серии экспериментов для оценки быстроты отклика и чувствительности изготовленных сенсоров на основе кремниевых наноструктур методами электронной микроскопии, оптической спектроскопии и измерений импеданса электрического контура на основе DPSi. Показано, что частицы вирионов эффективно не специфически сорбируются из вирусосодержащей жидкости или из воздушного потока (с использованием разработанной на 1 году работы по проекту экспериментальной установки) на образцы кремниевых наноструктур, что подтверждается проделанными сериями физических и биологических экспериментов: согласно полученным микрофотографиям сканирующей (СЭМ) и просвечивающей (ПЭМ) замечено, что вирионы прикрепляются к пористой поверхности наноструктур, что объяснено Ван-Дер-Ваальсовым взаимодействием между пористыми наночатицами и развитой поверхностью вирионов. Подсчет титра вируса после взаимодействия с наноструктурами кремния также продемонстрировал падение титра на два порядка после неспецифического взаимодействия с наноструктурами кремния. Вместе с тем было выявлено, что после сорбции на поверхность наноструктур вирионов H1N1 наблюдается значительный сдвиг интерференционных полос в ИК спектрах образцов, что также свидетельствует о чувствительности оптических свойств образцов к наличию на их поверхности вирусных частиц. Показано, что наноструктуры кремния со слоем золота на поверхности, также могут быть использованы как оптические сенсоры, работающие на основе эффекта гигантского комбинационного рассеяния света (ГКР). Измерены импеданс-характеристики образцов DPSi. 3) Представлены измерения частотной зависимости импеданса и угла сдвига фаз при разных температурах образца DPSi. Показано, что в структурах наблюдается отрицательный сдвиг фаз, что говорит о ёмкостном характере реактивного сопротивления в DPSi и его слабой зависимость от температуры. Построенные из спектров годографы имеют переменный радиус, что говорит, о дополнительном RC-контуре в образцах. Таким образом, построена эквивалентная электрическая схема образца, которая представляет собой параллельно соединенные R и C. Проверена эффективность сорбции вирионов на поверхность разработанных сенсоров с помощью распыления аэрозоля с вирусными частицами; показано, что сенсорный отклик устанавливается за время около 1-2 минут, а чувствительность изготовленных сенсоров на основе кремниевых наноструктур достигает 10 вирионов на мл объема распылительной камеры. Эффективность сенсора проверена при их многоразовом (5 раз) использовании, установлено, что воспроизводимость результатов при промывке сенсорного элемента раствором этанола – не хуже 5%. 4) Собран электрический контур, где сигнал от сенсорной структуры передается бесконтактно на расстоянии 3 см за счет индуктивной связи со считывающим устройством. Показано, что результаты, полученные с помощью бесконтактного считывания аналогичны результатам, полученным с помощью прямого включения сенсорного элемента в цепь измерителя амплитудно-частотных характеристик. Представлена зависимость сенсорного отклика (сдвига резонансной частоты) в условных единицах от концентрации вирионов в объеме. 5) Проведены работы по функционализации поверхности кремниевых наноструктур специфическими белками, избирательно связывающими вирусы гриппа: антителами или рецепторными аналогами. Проведено исследование связывающей способности специфических антител к гемагглютинину Н1 вируса гриппа А с препаратом вируса гриппа H1N1: показано специфическое связывание моноклональные антитела с вирусом. Произведен выбор условий выявления вируса гриппа H1N1 в ходе иммунохимических реакций. Произведена иммобилизация антител на поверхности DPSi. Проведен ряд экспериментов по сорбции модельных пАт и целевых специфических мАт на поверхность DPSi с использованием подобранных в ИФА условий. Изучена ковалентная сорбция антител на поверхности пористого кремния посредством химической модификации поверхности: отмечено, что функционализация поверхности аминогруппами с последующим взаимодействием с глутаровым альдегидом для создания альдегидных групп для последующего взаимодействия с аминограппами антител приводит к более высокому аналитическому сигналу (оптической плотности) по сравнению с методикой, где не использовали стадию обработки глутаровым альдегидом. Проведено изучение стабильности иммобилизованных антител на поверхности DPSi при хранении: показано, что пластинки не теряют свойств при хранении в течение 7 суток при температуре 37оС считают эквивалентным хранению в течение года при 4оС, что является перспективным для создания на их основе сенсоров на вирусы. По результатам работ написано 4 статьи в рецензируемых высокорейтинговых журналах (две статьи опубликовано в Q1, две статьи находятся на стадии рецензирования в Q1); результаты одной статьи по работам проекта вынесены на обложку журнала Q1. Результаты работ представлены в 11 докладах на международных научных конференциях (5 устных и 6 постерных доклада); освещены в интервью в СМИ. К работам активно привлечены студенты и аспиранты.

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".