MUPB: в МГУ повысили эффективность биосенсоров для ранней диагностики рака
В рамках Междисциплинарной научно-образовательной школы «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина» Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (МГУ) и Федерального исследовательского центра «Институт физики твердого тела имени К.А. Валиева» Российской академии наук (ФТИАН) был разработан инновационный метод защиты нанопроводниковых сенсоров на основе использования ультратонкого слоя оксида гафния (HfO₂). Этот многослойный подход демонстрирует значительный потенциал в продлении срока службы кремниевых устройств при сохранении их высокой чувствительности, что является критически важным для точного обнаружения биомолекул, таких как простат-специфический антиген (ПСА). Результаты исследования были опубликованы в престижном научном журнале «Moscow University Physics Bulletin», что подчеркивает их значимость и научную новизну.
Современные медицинские вызовы требуют разработки высокоточных, чувствительных и экономически эффективных методов ранней диагностики заболеваний. Нанопроводниковые сенсоры, основанные на кремниевых полевых транзисторах, представляют собой перспективное направление в данной области благодаря их способности обнаруживать биомолекулы, включая онкомаркеры, с высокой чувствительностью. Однако эксплуатация таких сенсоров ограничена проблемой деградации кремниевого материала под воздействием биологических сред, что приводит к дрейфу сигнала и выходу устройства из строя.
Олег Снигирёв, заведующий кафедрой физики полупроводников МГУ, образно сравнивает эту проблему с функционированием сверхчувствительного микрофона, который выходит из строя при воздействии агрессивной среды, подобной дождю. «Наша задача — защитить этот "микрофон" от разрушительного влияния биологических сред», — отмечает Снигирёв.
В рамках предложенного решения учёные предложили использовать HfO₂ в качестве защитного покрытия нанопроводниковых сенсоров. Этот материал обладает уникальными физико-химическими свойствами, включая высокую диэлектрическую проницаемость, химическую инертность и отличные изоляционные характеристики, что делает его идеальным для защиты кремниевых структур. Нанесение слоя HfO₂ на поверхность кремниевых нанопроводов осуществляется методом атомно-слоевого осаждения (ALD), который позволяет контролировать толщину покрытия с субнанометровым разрешением, обеспечивая высокую точность и воспроизводимость результатов.
Основной целью данной разработки является сохранение высокой чувствительности сенсора при одновременном повышении его надежности и долговечности. Применение HfO₂ позволяет значительно увеличить толщину защитного слоя, не оказывая негативного влияния на сенсорные характеристики устройства. Сравнительный анализ сенсоров с традиционными покрытиями на основе SiO₂ и новыми покрытиями на основе HfO₂ показал существенное улучшение стабильности сенсоров в кислых и щелочных растворах, моделирующих биологические среды, а также уменьшение дефектов на границе раздела материалов, которые могли бы снижать чувствительность устройства.
Одним из ключевых достижений исследования стала разработка методики химической модификации поверхности HfO₂ для закрепления биомолекул. На поверхности наночастиц золота, используемых для связывания антител к ПСА, были успешно закреплены дополнительные наночастицы золота, что подтвердило эффективность нового защитного слоя и его совместимость с созданием полноценной биосенсорной платформы.
Разработанная технология открывает широкие перспективы для создания компактных, надежных и долговечных диагностических систем, предназначенных для экспресс-обнаружения маркеров заболеваний на ранних стадиях. Такие устройства могут быть интегрированы в медицинские учреждения, обеспечивая доступность и оперативную реализацию сложных лабораторных анализов, что в конечном итоге способствует повышению эффективности ранней диагностики и лечения заболеваний.