Тончайший диагност

В 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 нанопроволоки 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 SiO₂ и кремниевой подложки в качестве подзатворного диэлектрика и тылового затвора, регулирующего чувствительность прибора: в этом случае КНИ-нанопроволока может функционировать как кремниевый нанопроволочный 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 технологией 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 flash-памятью.

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

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 (10^-15 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.

Д.ф.-м.н. В. П. Попов (Институт физики полупроводников
им. А. В. Ржанова СО РАН, Новосибирск)

Литература

Наумова О. В., Фомин Б. И., Попов В. П., Асеев А. Л. Кремниевые нанопроволочные транзисторы для электронных биосенсоров // Автометрия. 2009. Т. 45, № 4. С. 6—11.

Naumova O. V., Popov V. P., Safronov L. N. et al. ECS Transactions. 2009. V. 25 (10). Р. 83—87.

Попов В. П., Наумова О. В., Фомин Б. И., Насимов Д. 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.