Сенсор представляет собой транзистор – устройство, состоящее из трех электродов – сток, исток и затвор. Электрический ток между стоком и истоком контролирует напряжение на третьем электроде – затворе. По словам ученых, используемый транзистор отличается от классического тем, что затвор сделан в виде очень узкого нанопровода из кремния (ширина которого составляет 80 нанометров, а длина 3 – 5 микрон). Это позволяет детектировать биообъекты с рекордной чувствительностью. На чип с сенсором добавили нагреватели и измерители температуры. Такая терморегулирующая система – важный элемент устройства, благодаря которому возможно проводить сами измерения в оптимальных для каждого из детектируемых объектов температурных режимах. Кроме этого, он позволяет очищать сенсор от остатков биоматериала и использовать его многократно.
Ученые разрабатывают систему для детектирования в режиме реального времени ключевых биохимических биомаркеров и генов устойчивости к лекарственным препаратам. Детектирование биомаркеров осуществляется с помощью кремниевого чипа, на котором созданы очень чувствительные сенсоры. Такие сенсоры представляют собой полевой транзистор с каналом-нанопроводом. В транзисторах электрический ток между стоком и истоком контролируется напряжением на третьем электроде – затворе (который своим электрическим полем «перекрывает» или, наоборот, «открывает» канал протекания тока между стоком и истоком). Кроме этого, канал представляет собой очень тонкий нанопровод, благодаря которому канал протекания тока будет крайне чувствителен к внешнему электрическому полю.
Чтобы детектировать какие-нибудь определенные биологические объекты, к поверхности нанопровода «пришиваются» специальные распознающие биомолекулы – «замки», которые захватывают и удерживают нужные биологические объекты («ключи») вблизи поверхности нанопровода сенсора. ТПрактически все биологические объекты имеют ненулевой электрический заряд, поэтому порождаемое ими электрическое поле влияет на ток через нанопровод. Так осуществляется детектирование специфических биологических объектов: белков, вирусов, нуклеиновых кислот и др.
Исследователи подчеркивают, что чувствительность таких сенсоров экстремально высока и достигает уровня аттомолей, а в отдельных случаях позволяет добиться детектирования одиночных молекул или частиц.
«Одной из проблем создания ДНК-сенсоров является низкая селективность определения при комнатной температуре и трудности с разрушением комплексов для многоразового использования сенсоров, – рассказал один из авторов работы, Олег Снигирев, заведующий кафедрой физики полупроводников физического факультета МГУ. – Для решения этой проблемы был разработан биосенсор со встроенным терморегулятором, который позволяет проводить стадии инкубации и отмывки при повышенных температурах. В результате гибридизация ДНК происходит наиболее эффективно, что позволяет повысить специфичность и избежать ложноположительных результатов, а также сократить время анализа. Возможность нагревания до 85–90 градусов Цельсия позволяет использовать такие устройства многократно».
Результаты работы опубликованы в журнале «Вестник Московского университета».
