Измерительная ячейка. Фото: НОШ МГУ
Ученые Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина» и ФТИАН им. К.А. Валиева предложили использовать слой оксида гафния для защиты нанопроводниковых биосенсоров от разрушения в биологических жидкостях. Новый метод пассивации не только значительно увеличивает срок стабильной работы устройств на основе кремния, но и позволяет сохранить их рекордную чувствительность, необходимую для обнаружения единичных молекул маркеров заболеваний, таких как простат-специфический антиген (ПСА). Разработка открывает путь к созданию надежных и долговечных диагностических систем экспресс-анализа различных патологий. Результаты работы опубликованы в журнале «Moscow University Physics Bulletin».
Современная медицина остро нуждается в быстрых, точных и доступных методах ранней диагностики. Одной из самых перспективных технологий считаются биосенсоры на основе полевых транзисторов с кремниевым каналом в виде нанопровода. Биосенсоры способны детектировать биомолекулы, например биомаркеры рака, с ультравысокой чувствительностью — вплоть до отдельных молекул. Однако их широкому практическому применению мешает проблема биодеградации кремния в жидких средах, таких как кровь или сыворотка, что приводит к дрейфу сигнала и выходу устройства из строя.
«Представьте себе сверхчувствительный микрофон, который вы пытаетесь использовать во время сильного ливня, — объясняет заведующий кафедрой физики полупроводников и криоэлектроники физического факультета МГУ Олег Снигирев. — Поток воды искажает все полезные звуки, а сам микрофон ломается. Примерно так же ведет себя и наш сенсор в агрессивной электролитной среде. Наша задача — создать для такого “микрофона” надежный ветрозащитный экран, который не исказит звук».
В качестве такого «экрана» для нанопровода ученые предложили использовать ультратонкое покрытие из оксида гафния (HfO₂). Этот материал, широко применяемый в микроэлектронике, обладает уникальным сочетанием свойств: он химически очень инертен, обладает высокой диэлектрической проницаемостью и является отличным изолятором. Исследователи наносили слой HfO₂ толщиной в несколько нанометров на поверхность кремниевых нанопроводов с помощью метода атомно-слоевого осаждения.
Главной задачей было не просто защитить сенсор, но и не потерять его основное преимущество — высочайшую чувствительность. Использование high-k диэлектрика, каким является HfO₂, позволило увеличить физическую толщину защитного слоя без ухудшения сенсорных свойств устройства. Для проверки эффективности метода ученые провели сравнительные испытания сенсоров с традиционным покрытием из оксида кремния (SiO₂) и с новым покрытием из HfO₂. Ученые не только подтвердили, что покрытие из HfO₂ значительно повышает стабильность работы сенсоров в кислотных и щелочных растворах, имитирующих различные биологические жидкости, но и детально изучили его влияние на электрофизические параметры транзисторов. Важно, что удалось минимизировать образование дефектов и зарядовых ловушек на границе раздела материалов, которые могли бы снизить чувствительность.
Основным этапом работы стала разработка методики химической функционализации поверхности HfO₂ для иммобилизации биомолекул. Ученые успешно закрепили на поверхности наночастицы золота, которые служат платформой для последующего присоединения антител к ПСА — основному биомаркеру рака предстательной железы. Это доказало, что новый защитный слой не препятствует созданию полноценной биосенсорной платформы.
Внедрение новой технологии позволит создавать компактные, надежные и долговечные диагностические системы для экспресс-обнаружения маркеров опасных заболеваний на самых ранних стадиях. Подобные устройства можно будет использовать в пунктах оказания медицинской помощи (point-of-care), что сделает сложные лабораторные анализы доступными и быстрыми.
Информация и фото предоставлены пресс-службой МГУ
