Специалисты Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина» совместно с ФТИАН им. К.А. Валиева разработали способ защиты нанопроводниковых биосенсоров от повреждений в биологических средах, используя слой оксида гафния. Предложенная методика пассивации не только существенно продлевает срок службы устройств, основанных на кремнии, но и позволяет сохранить их выдающуюся чувствительность, критически важную для выявления единичных молекул биомаркеров, например простат-специфического антигена (ПСА). Эта разработка создает предпосылки для создания надежных и долговечных диагностических систем, предназначенных для оперативного анализа различных заболеваний. Результаты работы опубликованы в журнале «Moscow University Physics Bulletin».
В современной медицине существует острая потребность в оперативных, точных и доступных методах ранней диагностики. Среди наиболее многообещающих технологий выделяются биосенсоры, основанные на полевых транзисторах с кремниевым нанопроволочным каналом. Эти биосенсоры позволяют обнаруживать биомолекулы, такие как биомаркеры рака, с исключительно высокой чувствительностью, вплоть до уровня отдельных молекул. Однако их масштабное внедрение в практику затруднено из-за биодеградации кремния в жидких средах, например в крови или сыворотке, что вызывает дрейф сигнала и приводит к неисправности устройства.
«Попробуйте представить себе микрофон с исключительной чувствительностью, используемый в условиях интенсивного дождя, — поясняет руководитель кафедры физики полупроводников и криоэлектроники физического факультета МГУ Олег Снигирев. — Водные потоки заглушают все нужные звуки, а сам микрофон выходит из строя. Аналогичное поведение демонстрирует и наш сенсор в агрессивной электролитной среде. Наша цель — разработать для этого «микрофона» надежную защиту от ветра, которая не будет искажать звук».
Для защиты нанопроводов ученые предлагают использовать ультратонкий слой оксида гафния (HfO₂). Этот материал, который широко используется в микроэлектронике, характеризуется уникальным набором качеств: он химически устойчив, имеет высокую диэлектрическую проницаемость и является эффективным изолятором. Слой HfO₂ толщиной в несколько нанометров исследователи наносили на поверхность кремниевых нанопроводов методом атомно-слоевого осаждения.
Ключевой целью являлась не только защита сенсора, но и сохранение его главного достоинства — исключительной чувствительности. Применение диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости, такого как HfO₂, позволило увеличить толщину защитного слоя без негативного воздействия на характеристики сенсора. Чтобы оценить результативность подхода, исследователи провели сравнительные тесты сенсоров с обычным покрытием из оксида кремния (SiO₂) и с инновационным покрытием из HfO₂. Результаты показали, что покрытие из HfO₂ существенно улучшает стабильность работы сенсоров в кислотных и щелочных средах, моделирующих различные биологические жидкости, и позволили подробно проанализировать его влияние на электрофизические характеристики транзисторов. Удалось также свести к минимуму формирование дефектов и зарядовых ловушек на границе между различными материалами, что могло бы уменьшить чувствительность.
Ключевым моментом работы стала разработка метода химической модификации поверхности HfO₂ с целью закрепления биомолекул. Специалистам удалось успешно закрепить на поверхности наночастицы золота, которые впоследствии используются в качестве основы для присоединения антител к ПСА – основному биомаркеру рака предстательной железы. Это подтвердило, что созданный защитный слой не мешает формированию полноценной биосенсорной платформы.
Новая технология обеспечит создание небольших, надёжных и долговечных систем диагностики для оперативного выявления признаков опасных заболеваний на самых ранних этапах их развития. Такие устройства смогут применяться непосредственно в местах оказания медицинской помощи, что сделает сложные лабораторные исследования более доступными и оперативными.
Информация и фото предоставлены пресс-службой МГУ