Процесс секвенирования генома станет чуть-чуть быстрее, точнее и дешевле благодаря новому твердотельному датчику с нанодиафрагмой, который разработали ученые Университета штата Иллинойс (University of Illinois).

Твердотельный молекулярный датчик с нанодиафрагмой/нанопорой (nanopore sensor), изготовленной сверлением крошечного отверстия в тонкой пленке оксида алюминия, может способствовать анализу ДНК по одной молекуле, что предполагает исключительные возможности в персонализации лечения и более совершенной диагностике.

По словам Рашида Башира, профессора биоинжиниринга и директора университетской лаборатории микро- и нанотехнологии, твердотельные датчики с нанопорами/нанодиафрагмами уже показали исключительные химическую, температурную и механическую стабильность по сравнению с биологическими конкурентами и, что важно, могут быть изготовлены с использованием традиционных полупроводниковых технологий. При этом, такие датчики на оксиде алюминия демонстрируют заметно более высокие механические свойства, повышенные соотношения сигнал/шум и увеличенный ресурс в сравнении с их аналогами на основе оксида кремния и нитрида кремния.

Результаты исследований научной группы Университета, описание процесса изготовления и экспериментальные результаты, полученные с новыми датчиками на оксиде алюминия, доложены в научной статье, опубликованной на сайте журнала Advanced Materials (Highly Sensitive, Mechanically Stable Nanopore Sensors for DNA Analysis

Группа проф. Башира (Фото: Университета штата Иллинойс)

Для изготовления датчика ученые воспользовались известной технологией ALD (atomic layer deposition), которая позволила получить чрезвычайно тонкий слой оксида алюминия на кремниевой подложке. Затем центральную часть подложки вытравливали, оставляя лишь тонкую мембрану оксида алюминия. Далее, в мембране прошивали тончайшее отверстие (нанодиафрагму), используя электронный пучок.

Как отмечают авторы, в процессе изготовления наноотверстия, были обнаружены неожиданные, но очень полезные эффекты. При прошивании мембраны электронным пучком происходит также локальный нагрев материала вокруг отверстия, который способствует формированию нанокристаллитных структур в зоне диафрагмы. По мнению проф. Башира, эти кристаллы усиливают механическую однородность зоны нанодиафрагмы и, вероятно, повышают некоторые другие характеристики сенсора.

Авторы описывают технику изготовления и эксперименты с датчиками, диафрагма которых имела диаметры от 4 до 16 нм, при толщине оксидной пленки порядка 50 нм. Более тонкие мембраны, которые могут быть изготовлены тем же методом, будут способствовать более высокому разрешению системы, за счет более низкого уровня шума при прохождении молекулы через диафрагму. Ближайшей целью группы проф. Башира является создание мембран толщиной порядка 5 нм, что примерно соответствует толщине биологических мембран.

Для демонстрации функциональности нанодиафрагмы в оксид-алюминиевой мембране ученые провели эксперимент с элементами ДНК, содержавшими примерно 5000 базовых пар. Команда подтвердила распознавание отдельных молекул при соотношении сигнал/шум на уровне, сравнимом с другими твердотельными сенсорами. Следующий шаг – эксперименты с более короткими молекулами.

Евгений Биргер