Биосенсоры, разрабатываемые в Новосибирске, произведут революцию в медицинской диагностике
Разработка учёных Института физики полупроводников СО РАН позволит произвести настоящую революцию в медицинской диагностике и решить проблему дистанционного обнаружения опасных веществ.
Представьте: посредством специального биодатчика каждый человек по капле крови сможет контролировать наличие опасных патологий у себя в организме. Причём стоимость такого точнейшего анализа будет в разы дешевле, чем нынешние лабораторные исследования. Наличие этих простых в использовании инструментов сделает реальной существование персонализированной медицины, о которой так много говорят сегодня.
Подобные биосенсоры смогут работать и в газовой среде, распознавая молекулы вредных веществ в немыслимо низких концентрациях. Это ляжет в основу новых приборов, контролирующих состояние окружающей среды, или детекторов большинства видов взрывчатых веществ.
В роли таких детекторов (датчиков, сенсоров), действующих в биожидкостях и газах, будут выступать кремниевые нанопроволочные транзисторы. Работы по их созданию сегодня ведутся в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН.
- Мы уже более двадцати лет изучаем практически все существующие сегодня полупроводниковые материалы, их структуру, свойства, процессы их получения, - рассказывает заместитель директора по науке ИФП СО РАН профессор Олег Пчеляков. - Сейчас, в частности, ведутся исследования свойств кремниевых нанопроволочных структур, на которые возлагаются надежды как на материал, способный произвести настоящую революцию в медицинской диагностике.
В мире начало исследованиям полупроводниковых нанопроволочек положил в 1990-х профессор химии Гарвардского университета доктор Чарльз Либер. В то время у ученых возник интерес к углеродным нанотрубкам. Оказалось, что их электронные свойства меняются при контакте с биологическими молекулами. Это означало, что такие наноструктуры можно использовать в качестве крайне чувствительных биосенсоров.
Технология выращивания нанотрубок сегодня уже относительно хорошо освоена, но упорядочить углеродные нанотрубки на поверхности чипа по-прежнему очень сложно. И исследователи обратили внимание на кремниевые нанопроволочки, которые проще получать и свойствами которых легче управлять/. Так появились первые кремниевые нанопроволочные транзисторы.
В ИФП СО РАН к работе с ними приступили в начале 2000-х, когда по инициативе академика Жореса Алферова сибирские ученые включились в проект создания нанопроволочных транзисторов на основе гетероструктур кремния на изоляторе путем наноструктурирования сплошных пленок.
- Эти структуры мы получали у себя в институте, и тогда у нас, наверное, был мировой рекорд по толщине слоя кремния на изоляторе - в районе трех-пяти нанометров, причем с очень хорошим качеством и хорошими электронными свойствами, - вспоминает заведующий лабораторией физических основ материаловедения кремния ИФП СО РАН доктор физматнаук Владимир Попов. - Тогда же мы впервые попробовали делать из них длинные проволочные транзисторы.
В 2004 году на одной из научных конференций Попов выступил с докладом об успехах лаборатории в этой области, и работой новосибирских исследователей заинтересовались представители московского Института биомедицинской химии (ИБМХ) им. В. Н. Ореховича РАМН (под руководством академика Александра Арчакова). Они искали производителей чувствительных сенсоров, на основе которых собирались вести биологические исследования. Около трех лет ушло у сибирских ученых на то, чтобы перестроить производство по новым требованиям, но временные затраты окупились с лихвой. Первый же нанопроволочный биосенсор, выпущенный в лаборатории ИФП СО РАН в 2007 году, при испытаниях показал хорошие результаты.
- Мы поняли, что это направление довольно перспективно, так же как и технология наноструктурирования сплошных пленок, которую мы используем, - говорит Владимир Попов. - С того времени мы ежегодно производим около 500 микросхем биочипов, которые полностью потребляются заказчиком.
Электронный биочип представляет собой комплекс обычных микросхем, в них есть небольшое отверстие, куда поступает биожидкость - раствор с частицами, которые нужно проанализировать. А дальше срабатывают принципы биологии. Предварительно на поверхность нанопроволочек сенсора наносятся антитела, например, к вирусу гриппа, к маркерам некоторых видов опухолей, инфаркта миокарда, иных заболеваний. Антитела реагируют только с определенными антигенами, это взаимодействие очень сильное и способно изменить электронные свойства частиц. В результате при соединении двух больших биологических молекул - антигена и антитела - меняются соответствующие поверхностные потенциалы. И вступает в действие полевой транзистор, который чувствует изменение этих потенциалов.
Аналогичным образом действуют и оптические биосенсоры, также разрабатываемые в ИФП СО РАН, они регистрируют маркеры гепатита В и С. При образовании комплексов антител с маркерами в оптическом биосенсоре увеличивается коэффициент преломления, луч лазера поворачивается на определенный угол, и детектор сигнализирует о присутствии в крови маркерных белков. Но для оптических методов требуется большая концентрация маркеров, чем для электронных биочипов.
- Таким образом, наши сенсоры позволяют биологическое взаимодействие перевести в электронное, в результате анализ проходит быстро, - рассказывает Владимир Попов. - А благодаря тому, что наши детекторы показали очень высокую чувствительность, сравнимую с лучшими мировыми результатами, удается получать достаточно надежный ответ по биологическим маркерам.
Тот же принцип используется и при регистрации определенных молекул в газах. Достаточно найти взаимодействующие с ними вещества - и можно делать на основе кремниевых нанопроволочных сенсоров очень чувствительные и дешевые датчики. Применение их многообразно, например - в системах безопасности в публичных местах, ведь такие сенсоры могут избирательно и точно реагировать и на взрывчатые вещества. Эта работа пока находится на начальной стадии, по ней планируются совместные исследования с другими институтами СО РАН.
К сожалению, уже сейчас производство биочипов в ИФП СО РАН не покрывает потребности даже одного заказчика. Биологи из ИБМХ РАМН готовы увеличивать объемы исследований, им требуется больше биосенсоров. Но расширить их выпуск в институте не представляется возможным. Фабрика производительностью порядка 100 тысяч микросхем биочипов в месяц стоит от 4 до 8 млрд долларов. Такие линии могут себе позволить буквально две-три компании в мире. Местным же производителям требуется масштабное техническое перевооружение стоимостью в сотни миллионов рублей. По этому пути сейчас пытается двигаться Новосибирский завод полупроводниковых приборов, который после переговоров с руководством ИФП СО РАН подал в Минпромторг заявку на грант под проект выпуска биодатчиков.
Собственно, невозможность расширения объемов производства и не позволяет пока сделать биочипы дешевыми и повсеместно востребованными.
- На каждого человека на Земле сегодня приходится - я люблю называть эту цифру - по 10 миллиардов транзисторов, - говорит Владимир Попов. - Это самый массовый продукт, когда-либо созданный человеком, и производство биочипов и биосенсоров должно стать таким же массовым и дешевым. Мне представляется, что одноразовый сенсор в виде пластиковой карты может присоединяться, например, к сотовому телефону или гнезду флешки в компьютере.
Дальнейшие перспективы исследователи связывают в том числе и с участием в космических программах.
- Сейчас у нас существует три проекта по реализации процесса синтеза полупроводниковых многослойных структур и наноструктур в условиях открытого космоса, - рассказывает Олег Пчеляков. - То есть там, где почти полный вакуум и можно получить материалы с недостижимой на Земле чистотой.
В более далекое будущее ученые ИФП СО РАН заглядывают осторожно. Но уже сейчас понятно, что их сенсоры могут использоваться, например, для снятия энцефалограммы, поскольку в коре головного мозга/ также существует разность потенциалов, которую можно фиксировать биодатчиками. Кроме того, принцип работы полевого транзистора полностью совпадает с принципом работы клеточной мембраны, где перепад потенциалов определяет ее проницаемость.
И пожалуй, уже совсем скоро никого не удивит сосуществование органических и электронных систем в одном организме. Ведь сама природа позволяет находить им точки соприкосновения.
sibkray.ru/news
Представьте: посредством специального биодатчика каждый человек по капле крови сможет контролировать наличие опасных патологий у себя в организме. Причём стоимость такого точнейшего анализа будет в разы дешевле, чем нынешние лабораторные исследования. Наличие этих простых в использовании инструментов сделает реальной существование персонализированной медицины, о которой так много говорят сегодня.
Подобные биосенсоры смогут работать и в газовой среде, распознавая молекулы вредных веществ в немыслимо низких концентрациях. Это ляжет в основу новых приборов, контролирующих состояние окружающей среды, или детекторов большинства видов взрывчатых веществ.
В роли таких детекторов (датчиков, сенсоров), действующих в биожидкостях и газах, будут выступать кремниевые нанопроволочные транзисторы. Работы по их созданию сегодня ведутся в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН.
- Мы уже более двадцати лет изучаем практически все существующие сегодня полупроводниковые материалы, их структуру, свойства, процессы их получения, - рассказывает заместитель директора по науке ИФП СО РАН профессор Олег Пчеляков. - Сейчас, в частности, ведутся исследования свойств кремниевых нанопроволочных структур, на которые возлагаются надежды как на материал, способный произвести настоящую революцию в медицинской диагностике.
В мире начало исследованиям полупроводниковых нанопроволочек положил в 1990-х профессор химии Гарвардского университета доктор Чарльз Либер. В то время у ученых возник интерес к углеродным нанотрубкам. Оказалось, что их электронные свойства меняются при контакте с биологическими молекулами. Это означало, что такие наноструктуры можно использовать в качестве крайне чувствительных биосенсоров.
Технология выращивания нанотрубок сегодня уже относительно хорошо освоена, но упорядочить углеродные нанотрубки на поверхности чипа по-прежнему очень сложно. И исследователи обратили внимание на кремниевые нанопроволочки, которые проще получать и свойствами которых легче управлять/. Так появились первые кремниевые нанопроволочные транзисторы.
В ИФП СО РАН к работе с ними приступили в начале 2000-х, когда по инициативе академика Жореса Алферова сибирские ученые включились в проект создания нанопроволочных транзисторов на основе гетероструктур кремния на изоляторе путем наноструктурирования сплошных пленок.
- Эти структуры мы получали у себя в институте, и тогда у нас, наверное, был мировой рекорд по толщине слоя кремния на изоляторе - в районе трех-пяти нанометров, причем с очень хорошим качеством и хорошими электронными свойствами, - вспоминает заведующий лабораторией физических основ материаловедения кремния ИФП СО РАН доктор физматнаук Владимир Попов. - Тогда же мы впервые попробовали делать из них длинные проволочные транзисторы.
В 2004 году на одной из научных конференций Попов выступил с докладом об успехах лаборатории в этой области, и работой новосибирских исследователей заинтересовались представители московского Института биомедицинской химии (ИБМХ) им. В. Н. Ореховича РАМН (под руководством академика Александра Арчакова). Они искали производителей чувствительных сенсоров, на основе которых собирались вести биологические исследования. Около трех лет ушло у сибирских ученых на то, чтобы перестроить производство по новым требованиям, но временные затраты окупились с лихвой. Первый же нанопроволочный биосенсор, выпущенный в лаборатории ИФП СО РАН в 2007 году, при испытаниях показал хорошие результаты.
- Мы поняли, что это направление довольно перспективно, так же как и технология наноструктурирования сплошных пленок, которую мы используем, - говорит Владимир Попов. - С того времени мы ежегодно производим около 500 микросхем биочипов, которые полностью потребляются заказчиком.
Электронный биочип представляет собой комплекс обычных микросхем, в них есть небольшое отверстие, куда поступает биожидкость - раствор с частицами, которые нужно проанализировать. А дальше срабатывают принципы биологии. Предварительно на поверхность нанопроволочек сенсора наносятся антитела, например, к вирусу гриппа, к маркерам некоторых видов опухолей, инфаркта миокарда, иных заболеваний. Антитела реагируют только с определенными антигенами, это взаимодействие очень сильное и способно изменить электронные свойства частиц. В результате при соединении двух больших биологических молекул - антигена и антитела - меняются соответствующие поверхностные потенциалы. И вступает в действие полевой транзистор, который чувствует изменение этих потенциалов.
Аналогичным образом действуют и оптические биосенсоры, также разрабатываемые в ИФП СО РАН, они регистрируют маркеры гепатита В и С. При образовании комплексов антител с маркерами в оптическом биосенсоре увеличивается коэффициент преломления, луч лазера поворачивается на определенный угол, и детектор сигнализирует о присутствии в крови маркерных белков. Но для оптических методов требуется большая концентрация маркеров, чем для электронных биочипов.
- Таким образом, наши сенсоры позволяют биологическое взаимодействие перевести в электронное, в результате анализ проходит быстро, - рассказывает Владимир Попов. - А благодаря тому, что наши детекторы показали очень высокую чувствительность, сравнимую с лучшими мировыми результатами, удается получать достаточно надежный ответ по биологическим маркерам.
Тот же принцип используется и при регистрации определенных молекул в газах. Достаточно найти взаимодействующие с ними вещества - и можно делать на основе кремниевых нанопроволочных сенсоров очень чувствительные и дешевые датчики. Применение их многообразно, например - в системах безопасности в публичных местах, ведь такие сенсоры могут избирательно и точно реагировать и на взрывчатые вещества. Эта работа пока находится на начальной стадии, по ней планируются совместные исследования с другими институтами СО РАН.
К сожалению, уже сейчас производство биочипов в ИФП СО РАН не покрывает потребности даже одного заказчика. Биологи из ИБМХ РАМН готовы увеличивать объемы исследований, им требуется больше биосенсоров. Но расширить их выпуск в институте не представляется возможным. Фабрика производительностью порядка 100 тысяч микросхем биочипов в месяц стоит от 4 до 8 млрд долларов. Такие линии могут себе позволить буквально две-три компании в мире. Местным же производителям требуется масштабное техническое перевооружение стоимостью в сотни миллионов рублей. По этому пути сейчас пытается двигаться Новосибирский завод полупроводниковых приборов, который после переговоров с руководством ИФП СО РАН подал в Минпромторг заявку на грант под проект выпуска биодатчиков.
Собственно, невозможность расширения объемов производства и не позволяет пока сделать биочипы дешевыми и повсеместно востребованными.
- На каждого человека на Земле сегодня приходится - я люблю называть эту цифру - по 10 миллиардов транзисторов, - говорит Владимир Попов. - Это самый массовый продукт, когда-либо созданный человеком, и производство биочипов и биосенсоров должно стать таким же массовым и дешевым. Мне представляется, что одноразовый сенсор в виде пластиковой карты может присоединяться, например, к сотовому телефону или гнезду флешки в компьютере.
Дальнейшие перспективы исследователи связывают в том числе и с участием в космических программах.
- Сейчас у нас существует три проекта по реализации процесса синтеза полупроводниковых многослойных структур и наноструктур в условиях открытого космоса, - рассказывает Олег Пчеляков. - То есть там, где почти полный вакуум и можно получить материалы с недостижимой на Земле чистотой.
В более далекое будущее ученые ИФП СО РАН заглядывают осторожно. Но уже сейчас понятно, что их сенсоры могут использоваться, например, для снятия энцефалограммы, поскольку в коре головного мозга/ также существует разность потенциалов, которую можно фиксировать биодатчиками. Кроме того, принцип работы полевого транзистора полностью совпадает с принципом работы клеточной мембраны, где перепад потенциалов определяет ее проницаемость.
И пожалуй, уже совсем скоро никого не удивит сосуществование органических и электронных систем в одном организме. Ведь сама природа позволяет находить им точки соприкосновения.
sibkray.ru/news