Красноярские ученые предложили простой способ создания новых биосенсоров на основе кремниевой нанопроволоки. Устройство способно обнаруживать белковые молекулы в очень низкой концентрации за счет регистрации незначительных изменений проводимости тока.

Результаты исследования опубликованы в журнале Talanta.

Высокочувствительное обнаружение белков в сыворотке человеческой крови – одна из важных задач современной биомедицины. Белки являются маркерами различных заболеваний человека, в том числе онкологических и вирусных. В настоящее время чувствительность диагностических систем недостаточна для обнаружения некоторых видов белков.

Красноярские ученые из ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН», Красноярского государственного медицинского университета и СФУ разработали биосенсор на основе кремниевой нанопроволоки, используемой в качестве проводящего канала полевого транзистора. Полученное устройство применяется для обнаружения белков на основе изменений проводимости тока. Оно отличается простым способом изготовления и имеет хорошие электрические характеристики.

Использование устройства в качестве сенсора основано на изменении проводимости тока на поверхности кремниевой нанопроволоки. В случае осаждения на поверхность нанопроволоки частицы или молекулы, несущей заряд, изменяется проводимость сенсора. Освобождение сенсорной поверхности от заряженной частицы приводит к восстановлению проводимости.

Особенностью нового биосенсора стали контакты, созданные по принципу металл-полупроводник, на двух концах нанопроволоки. В таких контактах реализуется так называемый барьер Шоттки, ток через него при наложении внешнего электрического поля создается почти целиком основными носителями заряда. По этой причине в них отсутствуют явления инжекции, накопления и рассасывания зарядов. В результате кремниевая нанопроволока, используемая в качестве токопроводящего канала биосенсора, дополнительно увеличивает сопротивление в токовом режиме устройства. Таким образом, при создании подобных устройств с контактами Шоттки нет необходимости дополнительного легирования нанопроволоки, что упрощает процесс изготовления. Такое устройство является более чувствительным и быстродействующим, что очень важно для биосенсоров.

Для создания сенсора на основе нанопроволоки с барьером Шоттки ученые использовали молекулярно-лучевую эпитаксию и электронно-лучевую литографию. Предложенный метод позволяет контролировать геометрию устройства и электрические характеристики за счет точного управления поперечными размерами нанопроволоки.

Эксперименты показали, что после попадания белка с ненулевым зарядом на проволоку уменьшается ток и появляется отрицательная плотность заряда на ее поверхности. По мнению специалистов, это объясняется комплексным эффектом смещения порогового напряжения внутри токопроводящего канала устройства.

Исследователи также провели двухмерное моделирование с учетом концентрации поверхностного заряда биосенсора, при помощи которого объяснили физические механизмы изменения заряда и электрического обнаружения белков в нанопроволоке. Специалисты отмечают, что результаты эксперимента и численного моделирования хорошо согласуются и могут быть использованы для разработки новых типов биосенсоров на основе нанопроволоки.

Моделирование эффективного поверхностного заряда на поверхности проволоки, где прикреплены молекулы, позволяет описать основные особенности биосенсора, например, вычислить коэффициент преобразования между количеством молекул, прикрепленных к поверхности датчика, и сдвигом порогового напряжения. Это предоставит полезный инструмент для калибровки биосенсора и позволит оценить концентрацию обнаруженных молекул путем сравнения характеристик устройства до и после воздействия на него детектируемого вещества.

«Биосенсоры на основе нанопроволочных полевых транзисторов с контактами Шоттки в настоящее время интенсивно исследуются как альтернатива традиционным детектирующим устройствам. Из-за малых размеров нанопроволок биосенсоры на их основе обладают высокой чувствительностью. Даже небольшие изменения заряда внутри нанопроволоки вызывают регистрируемые изменения в проводимости и, как следствие, сигнализируют о наличии белка в анализируемой жидкости. Однако физические механизмы, действующие при использовании кремниевой нанопроволоки в качестве сенсорного элемента, подробно еще не объяснены. При этом их понимание может привести к созданию высокочувствительных биосенсоров. Предлагаемая версия биосенсора отличается относительно простым способом изготовления, хорошо воспроизводимой схемой функционализации и понятным механизмом электрического обнаружения. Это многообещающий прототип для создания детекторов и сенсоров», – рассказала Татьяна Смолярова, младший научный сотрудник лаборатории цифровых управляемых лекарств и терраностики ФИЦ КНЦ СО РАН.

Исследование поддержано грантами Российского фонда фундаментальных исследований, Красноярского краевого фонда науки и Правительства Красноярского края, а также мегагрантом Правительства РФ на создание лабораторий мирового класса.