RU2749698C1 - Биомолекулярный сенсор с микроэлектронным генератором электромагнитной волны - Google Patents

Abstract

Использование: для обнаружения и регистрации биомолекул. Сущность изобретения заключается в том, что биомолекулярный микроэлектронный сенсор содержит высокочастотный генератор, рабочий объем которого подключен к входу тракта передачи электромагнитного излучения, интерфейс в виде твердотельной электропроводящей пластины с первой и второй поверхностями, исследуемую биомолекулярную пробу, примыкающую к указанной первой поверхности, находящейся в зоне облучения из указанного тракта передачи активирующего электромагнитного излучения, детекторную систему, воспринимающую электромагнитное излучение с пространственным и амплитудным разрешением, при этом указанный рабочий объем высокочастотного генератора электромагнитной волны примыкает к указанной второй поверхности электропроводящей пластины, так что указанный тракт передачи электромагнитного излучения совмещен с объемом указанной твердотельной электропроводящей пластины между указанными первой и второй поверхностями. Технический результат: повышение универсальности, быстродействия, чувствительности и точности измерений, снижение массы и габаритов бимолекулярного сенсора, а также увеличение ресурса, повышение надежности и стабильности работы биомолекулярного сенсора. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

В современную постгеномную эпоху центр исследований в области науки о жизни сместился с генетической информации о жизни на общую биофункцию. Разнообразные биоматериалы и биомикромолекулы становятся важнейшей точкой исследований в области науки о жизни.

Термин «биомолекула» относится к любой органической молекуле, которая является частью живого организма. Биомолекулы включают нуклеотид, полинуклеотид, олигонуклеотид, пептид, белок, лиганд, рецептор и другие. "Комплекс биомолекулы" относится к структуре, состоит из двух или более типов биомолекул. Примерами комплекса биомолекулы являются клеточные или вирусные частицы. Термин "захват молекулы" относится к молекуле, которая обездвижена на поверхности в течение длительного или короткого времени. Молекулами захвата, как правило, являются биологически активными антитела, нуклеотид, олигонуклеотид, полинуклеотид, пептид, или белок, другая небольшая молекула, биомолекула, пептиды и полипептиды, мета- или нано- материал. Молекула захвата, как правило, но не обязательно, связывается с целью или молекулой-мишенью. Известен метод, с помощью которого кремниевые наноструктуры могут избирательно покрываться молекулами или биомолекулами захвата с помощью электрохимического процесса -USOO7416911 B2 H01L 21/306.]. Этот химический процесс может быть использован в качестве метода для создания наноструктур с поверхностным покрытием различными молекулярными или биомолекулярными материалами. Возможно также иммобилизовать биомолекулы, в том числе молекулы ДНК или антител, на электроде из золота Au, где связующими служат группы тиола -SH. В качестве примера, такие молекулярные структуры могут быть использованы для таких приложений, как биохимические, электронные, химические, медицинские, нефтехимические и им подобные.

Термин "наноматериал", используемый в настоящем документе, относится к структуре, устройству или системе, имеющих измерение на атомном, молекулярном или макромолекулярном уровнях, в масштабах длины примерно 1-100 нанометров. Термин "чип" или "микрочип" относится к микроэлектронным устройствам из полупроводникового материала и имеет одну или несколько интегрированных схем или дискретных устройств, может включать в себя множество миниатюрных транзисторов и других электронных компонентов на одном тонком прямоугольнике кремния, сапфира, германия, нитрида кремния, или другого полупроводникового материала.

Основная задача заключается в создании надежных и эффективных методов аналитической работы, которые могут выявлять и расшифровывать биомолекулы. Быстрые и специфические обнаружения биомолекул и биологических клеток, таких как белки, ДНК и РНК, вирусы, пептиды, антитела, антигены, эритроциты, белые кровяные тельца и тромбоциты, становятся все более и более важными для биологических анализов, важных для таких областей, как геномика, протеомика, диагнозы и патологические исследования. К важнейшим проблемам биотехнологии относятся обнаружение и регистрация биомолекул, биоматериалов, их конформационных изменений, а также ДНК-белок, белок-белок и белок-вирус взаимодействий. Арсенал средств для таких исследований включает оптическую спектроскопию, в том числе рамановскую и электронную, ядерный магнитный резонанс, рентгеновский, ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный, терагерцовый свет, флуоресценцию молекул и рентгеновские фотоэлектроны, атомную силовую микроскопию. Большая часть указанных выше принципов, методов и технологий реализуется в современных биомолекулярных сенсорах.

Биомолекулярные сенсоры являются широко распространенными эффективными устройствами, которые могут идентифицировать и обнаруживать биомолекулы. При определенной модернизации сенсор для обнаружения биомолекул может помочь также в тестировании вирусов, например, COVID-19. Сенсоры собирают информацию из биопроб путем измерения электромеханических, электротепловых, биологических, физических, химических, оптических и магнитных явлений. Биомолекулярный микроэлектронный сенсор в составе диагностической системы состоит из трех основных функциональных элементов: биологической пробы, интерфейса передачи сигнала и устройства обнаружения и приема сигнала.

Основные современные биомолекулярные сенсоры основаны на известных и перспективных технологиях в виде различных устройств:

- сенсоры с поверхностным плазмонным резонансом (ППР);

- сеснсоры с низкоэнергетичной ТГц спектроскопией на поверхности;

- электрические сенсоры на основе измерения слабых токов в наноэлектронных цепях;

- полупроводниковые микроэлектронные биомолекулярные сенсоры.

Сенсоры ППР применяют в клинической диагностике, мониторинге окружающей среды, обнаружении лекарственных средств и полимерной инженерии, охватывающая широкую область здоровья и биологических наук. Основные сильные стороны анализа ППР лежат в неинвазивном обнаружении и мониторинге в режиме реального времени связывающих событий, таких как антитела-антиген, белок-белок, фермент-субстрат или ингибитор, белок-ДНК, рецептор-препарат, белково-полисахарид, белок-вирус и живые клеточные экзогенные стимулы.

Поверхностные плазмоны могут существовать только на стыке между металлической пленкой и диэлектрической средой. Электроны на поверхности металлов демонстрируют когерентные колебания плотности, которые известны как поверхностные плазмонные колебания. Величина электрического поля этих колебаний заряда является максимальной на интерфейсе, и спадает экспоненциально при удалении от поверхности. Поверхностные плазмоны являются лишь одним из множества возможных элементарных количественных возбуждений твердой материи, таких как фононы, поляритоны, возбудимые и магноны. Поверхностные плазмон-фононные поляритоны являются электромагнитными волнами, возбужденными на стыке двух сред [IOP Conf. Серия: журнал физики: Конф. Серия 917 (2017) 062038)].

Поверхностные плазмонные биосенсоры, — это, в основном, высокочувствительные рефрактометры, которые отслеживают изменения в оптическом состоянии биочувствительного слоя на тонкой металлической пленке. Спектроскопия ППР, локализованного добавлением металлических наночастиц, является мощным методом для химических и биологических экспериментов, улучшая связь между плазмонными резонансами наночастиц и молекулярными резонансами адсорбата.

Основными компонентами сенсоров ППР в известных аналогах (патенты США 8969805В2, 5485277А) с оптическим возбуждением являются источник света и его оптическая система, оптические компоненты соединения (призма, решетка, волновой, или оптическое волокно), оптическая система визуализации и фотодетектор. Современные сенсоры включают в себя также электронные элементы на подложке, изготовленные в рамках единой микроэлектронной технологии. Детекторный массив состоит из множества фотодетекторов, оптически подключенных к цилиндрическим линзам.

Аналогом является устройство и метод по патенту США 10254223В2 (2019 год). Согласно аналогу, на поверхности находится молекулярная проба, где на указанную пробу действует излучение от внешнего источника света, возбуждающее флуоресцентное излучение молекул, которое воспринимается многоэлементным детектором. Информацию о составе пробы получают путем интерпретации сигналов, получаемых от элементов детектора.

Аналогом является устройство по патенту США 20170141477 А1. Согласно прототипу, на поверхности подложки находится молекулярная проба в виде метаматериала, где на указанную пробу падает электромагнитная волна от внешнего источника, причем падающая волна отражается со сдвигом фазы от указанной поверхности с указанным метаматериалом. Отраженная волна воспринимается приемником. Для усиления и оптимизации отражения имеются на указанной поверхности периодическая неоднородная структура и подключение к внешней пассивной электронной системе с конденсатором переменной емкости. Информацию о составе пробы получают путем интерпретации сигналов, получаемых приемника отраженной волны.

Миниатюрный металлический полупроводниковый металлический фотодетектор был разработан в качестве основного детектора для биосенсора хемилюминесценции [Электрофорез, 2009, 30(18):3189-3197]. Информацию о составе пробы получают путем интерпретации сигналов, получаемых от элементов детектора. Особенностью аналога по патенту США 005955729A является ППР в сочетании с детектированием вторичных частиц на основе масс спектроскопии для быстрого, чувствительного и точного исследования молекулярных взаимодействий в сочетании с их идентификацией и количественной оценкой.

Известные аналоги: патенты США 8,969,805 B2, 7709247B2, WO2006137824A2, TWI303314B, представляют сенсоры низкоэнергетичной ТГц спектроскопии проб на поверхности, в том числе проб в виде растворов, в которых взаимодействие молекул между собой воздействует на отражение ТГц волны от интерфейса. Источник ТГц волны является внешним по отношению к сенсору. Информацию о составе пробы получают путем интерпретации сигналов, получаемых от датчиков вторичной ТГц волны, получаемой после ее взаимодействия с биомолекулярной пробой.

Аналогом является устройство по патенту WO2017011940A1 (2015 год). Согласно аналогу, на поверхности подложки находится молекулярная проба в виде пленки, полученной дегидратацией раствора, в котором имеются наночастицы из золота. На указанную дегидратированную пробу падает электромагнитная волна ТГц диапазона частот от внешнего источника, сигналы, вышедшие в разные моменты времени из разных точек указанной пленки, соответствующие прошедшим или отраженным волнам со сдвигами частоты, воспринимаются секционированными детекторами. Наночастицы усиливают электромагнитную волну в точках, что приводит к усилению сигналов облучения детекторов. Информацию о составе пробы получают путем интерпретации зависящих от времени сигналов, получаемых от детекторов.

Электрические сенсоры на основе измерения токов в наноэлектронных цепях представляют аналоги: патенты США 10036064В2, 7947485В2, 9725753В2. В наноэлектронной цепи указанных устройств протекает туннельный ток или конвекционный ток в зазоре между электродами, в котором имеется молекула пробы. Значение тока и его изменения при изменении внешних условий предоставляют информацию о свойствах молекулярной пробы, в том числе о структуре молекулы. С помощью сенсора-аналога RU 2 721 965 C2 производят обнаружение конформационно измененной полимеразы нуклеиновой кислоты путем измерения вариаций электрического сигнала в электропроводящем канале нанотрубки.

Рассмотренные выше аналоги обладают меньшей чувствительностью и универсальностью, чем созданные в последние годы полупроводниковые микроэлектронные биомолекулярные сенсоры, в которых в основном устранены недостатки аналогов. Новые полупроводниковые биомолекулярные сенсоры являются наиболее эффективными современными диагностическими приборами (Nano/Micro Science and Technology in Biorheology pp 323-362 Sensing of Biomolecules and Cells by Semiconductor Device). Платформа сенсоров, основанная на полупроводниковом принципе, подходит для применимости в области клинической диагностики, фармацевтических открытий, тканевой инженерии, экологических исследований и контроля пищевых продуктов. Структура микроэлектронного биосенсора состоит из трех функциональных элементов: биологическая проба, интерфейс передачи сигнала и устройство обнаружения. Функциональные интерфейсы формируются между твердыми и жидкими фазами, и могут быть классифицированы как физически структурированный интерфейс, химически модифицированный интерфейс и биологически индуцированный интерфейс.

Аналог по патенту США 6753OA1 основан на обнаружении изменения электрического сопротивления полупроводникового материала, наноструктурированного в сочетании с биомолекулярным материалом, причем сопротивление модулируется конформационным состоянием биомолекул.

Полупроводниковые сенсоры на основе полевых транзисторов отличаются способностью к усилению слабых сигналов, а органических транзисторов - высокой химической чувствительностью.

В биосенсорах полевого эффекта электрический потенциал на поверхности полупроводника изменяется при варьировании концентрации биомолекул. Принцип полупроводникового устройства, основанного на полевом эффекте, позволяет обнаруживать ионные заряды биологических явлений в режиме реального времени и неинвазивным образом, так как большинство биомолекул имеют внутренние молекулярные заряды. Например, ДНК тесно связана с ионными зарядами. Один положительный или один отрицательный заряд ионной молекулы электростатически взаимодействует с одним электронным зарядом в полупроводниковом устройстве. Таким образом, ионное состояние, основанное на биологических явлениях, может быть непосредственно обнаружено с помощью полупроводниковых устройств. Большинство биологических явлений in vivo тесно связаны с электрическим поведением заряженных частиц, например, молекулы ДНК с отрицательными зарядами на основе фосфатных групп, ионов калия (ионов калия, ионов натрия и так далее) через ионные каналы на клеточной мембране. Для проведения измерений затвор полевого транзистора эффекта соприкасается с измеряемым раствором. Известны полевые сенсоры для обнаружения ДНК, в их основе - полевой транзистор. Полевой транзистор с биомолекулярным слоем действует как передатчик сигнала, отделенный изоляторным слоем (например, SiO₂) от элемента биологического распознавания (например, рецепторов или молекул зонда), которые являются селективными к молекуле-мишени, называемой аналитом. Как только аналит связывается с элементом распознавания, распределение заряда на поверхности изменяется, что приводит к соответствующему изменению электростатического поверхностного потенциала полупроводника. Это изменение в поверхностном потенциале полупроводника действует как напряжение затвора в традиционном полевом транзисторе. При этом происходит изменение тока между истоком и стоком в канале. Изменение тока может быть измерено, и наличие связанного аналита может быть обнаружено.

Изобретение-аналог WO2004048962A1 содержит датчик в виде полевого транзистора для обнаружения по крайней мере одной биомолекулы, и включает управляемый полупроводниковый переключатель для изменения состояния канала.

В устройстве-аналоге по патенту США 0080962 А1 использована способность полупроводящих нанопроводов полевых транзисторов служить высокочувствительными датчиками для биохимических веществ, включая небольшие молекулы, белки и нуклеиновые кислоты. Наномасштабное ограничение тока канала в соответствии большим отношением площади поверхности к объему позволяет заряженным молекулам, связанным с поверхностью, более эффективно изменять потенциал затвора устройства, что позволяет осуществлять прямое электронное обнаружение конкретных молекул.

В устройстве-аналоге и в соответствии с методикой по патенту WO 2007/090649 A1 определяются фармакологически активные вещества путем измерения токов клеточной мембраны с помощью внеклеточного сенсора. Живая клетка находится в оперативном контакте с электропотенциал-чувствительной подложкой. В качестве такой подложки используется канал полевого транзистора. В целом, устройство является биомолекулярным сенсором, который позволяет измерять баланс ионных токов через мембрану данной живой клетки.

Транзисторы полевого эффекта имеют то преимущество, что они малы по размеру и легко интегрированы в одно устройство. Но, из-за проблем, связанных с интенсивностью сигнала и относительно низкой чувствительностью, они имеют недостатки в качестве электрических датчиков.

В ближайшем аналоге, - прототипе данного изобретения по патенту США 7923240 B2, повышение чувствительности достигается дополнительным активированием вещества пробы через присоединенные к ней маркеры. Диагностическое применение относится к устройству и методу эффективного обнаружения аналитов, особенно обнаружения биомолекул. Добавлено внешнее устройство облучения светом, за счет чего объединены принципы фото-индуцированного разделения заряда и приемника-датчика в виде полевого транзистора. Фото-индуцированное разделение заряда в маркере увеличивает сигнал в канале полевого транзистора, что приводит к более чувствительным, специфическим и/или селективным обнаружениям биомолекул в мультиплексных анализах, таких как иммуноанализ и микроанализ ДНК. Фото-индуцированное разделение заряда является отражением конкретных химических и / или биологических взаимодействий, и обнаруживается с помощью электрических датчиков, которые могут быть частью интегрированного устройства на чипе для выполнения химического анализа и медицинской диагностики иммуноанализа.

Функционально устройство-прототип (по патенту США 7923240 B2) состоит из электрического датчика и комплекса, связанного с поверхностью электрического датчика, указанный комплекс включает канал обнаружения и вещественный маркер, например, молекулярный кластер, привязанный к каналу обнаружения, способный поглощать падающий поток излучения внешнего источника, причем за счет поглощения излучения в маркере разделяются электрические заряды.

Согласно описанию патента США 7923240 B2, устройство-прототип представляет собой биомолекулярный микроэлектронный сенсор, содержащий высокочастотный генератор, рабочий объем которого подключен к входу тракта передачи электромагнитного излучения, интерфейс в виде твердотельной электропроводящей пластины с первой и второй поверхностями, исследуемую биомолекулярную пробу, примыкающую к указанной первой поверхности, находящейся в зоне облучения из указанного тракта передачи активирующего электромагнитного излучения, детекторную систему, воспринимающую электромагнитное излучение с пространственным и амплитудным разрешением.

Недостатки прототипа:

- недостаточная универсальность, ограничения из-за селективного разделения заряда по отношению к частоте дополнительного света;

- необходимость применения маркеров, требующая применения дорогостоящей технологии;

- требуется подбор специфического вещества маркеров для связи применительно к различным аналитам;

- требуется дополнительный внешний источник электромагнитного излучения;

- создание оптического канала облучения требует увеличения массы, габаритов и стоимости устройства;

- канал обнаружения, которым служит канал полевого транзистора, не обладает частотно-спектральным разрешением сигналов из аналита;

- канал обнаружения, которым служит канал полевого транзистора, не обладает масс-спектральным разрешением активированного аналита;

- отсутствует система прямого активирования материала аналита, например, биомолекул.

Недостатки прототипа устранены в предлагаемом изобретении. Задачей настоящего изобретения является создание конструкции, имеющей более простую и дешевую в изготовлении, более экономичную, в целом эффективную и надежную при эксплуатации в составе биомолекулярного сенсора. В отличие от известных, заявляемое устройство содержит систему прямого активирования биомолекулярной пробы в виде единичных молекул или их комплексов, находящихся в контакте с электропроводящей подложки, металлической или полупроводниковой. Используется встроенный, интегрированный генератор высокочастотной электромагнитной волны. В результате повышаются универсальность, чувствительность и точность сенсора. Новизна предлагаемого решения основана на применении технологий, которые ранее не использовались в биомолекулярных сенсорах.

Отличительная сущность изобретения состоит в том, что в нем используются:

- составляющие анализируемую пробу биомолекулы, их комплексы, вирусы, иные наночастицы, метаматериалы, находящиеся в прямом оперативном контакте с электропроводящей подложкой;

- генератор высокочастотной электромагнитной волны, подключенный к электропроводящей подложке;

- фундаментальный физический эффект активирующего воздействия высокочастотного электромагнитного облучения на электроны проводимости в скин-слое электропроводящей подложки;

- фундаментальный физический эффект активирующего воздействия возбужденных электронов проводимости на поверхностные биомолекулы;

- электромагнитное излучение активированных биомолекул, принимаемое детекторной системой;

- детекторная система с пространственным, амплитудным и спектральным разрешением;

- детекторная система с масс-спектральным разрешением.

В качестве встроенного генератора высокочастотной электромагнитной волны заявляемое устройство содержит, как варианты:

- твердотельные диоды, то есть двухтерминальные нелинейные полупроводники, используемые для генерации, смешивания, обнаружения и переключения микроволновых сигналов;

- вакуумные микроэлектронные генераторы в виде диодов, триодов, СВЧ приборов и тому подобных конфигураций.

В указанных генераторах используется активная динамическая среда, состоящая из мобильных носителей заряда.

Наиболее известны и распространены генераторные СВЧ диоды Ганна и лавинно-пролетные диоды.

Помимо арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP, используется на частотах до 170 ГГц), для изготовления диодов Ганна также применяется нитрид галлия (GaN). В диодах, изготовленных из этого материала, была достигнута наиболее высокая частота колебаний — до 3 ТГц. Работа диода Ганна определяется собственными нелинейными свойствами применяемого полупроводникового материала. Движущийся слой зарядов с высокой напряжённостью электрического поля внутри рабочего объема генератора воспроизводится периодически с пролётной частотой.

Пролетная частота обратно пропорциональна длине кристалла полупроводника и прямо пропорциональна скорости движения домена.

Лавинно-пролётный диод (ЛПД, IMPATT-диод) — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно-пролётные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Для изготовления лавинно-пролётных диодов используют кремний и арсенид галлия.  Из слоя умножения периодически выходят сгустки электронов, которые движутся через слой дрейфа, ток в диоде имеет вид прямоугольных импульсов. Этот режим работы диода называется пролётным (IMPATT-диоды).

Лавинно-пролётные TRAPATT-диоды работают в режиме с захваченной полупроводниковой плазмой.

Существует разновидность лавинно-пролётных диодов, работающих в инжекционно-пролётном режиме (BARITT-диоды).

Свойством СВЧ диодов является наличие возбужденных носителей заряда в полупроводнике, например, так называемых горячих электронов, обеспечивающих генерацию переменного электромагнитного поля. Высокочастотная электронная волна, обусловленная движением возбужденных носителей заряда в полупроводнике, оказывает активирующее действие на поверхность, ограничивающую рабочий объем диода.

Подобными свойствами на более высоком уровне мощности обладают также микроэлектронные сверхвысокочастотные вакуумные приборы.

Поставленная задача изобретения решена в вариантах конструкции и соответствующих способах, охарактеризованных в п.п.1-7 Формулы. Недостатки прототипа устранены в данном изобретении в принципиально новой конструкции биомолекулярного сенсора. Биомолекулярный микроэлектронный сенсор содержит высокочастотный генератор, рабочий объем которого подключен к входу тракта передачи электромагнитного излучения, интерфейс в виде твердотельной электропроводящей пластины с первой и второй поверхностями, исследуемую биомолекулярную пробу, примыкающую к указанной первой поверхности, находящейся в зоне облучения из указанного тракта передачи активирующего электромагнитного излучения, детекторную систему, воспринимающую электромагнитное излучение с пространственным и амплитудным разрешением, а также имеет принципиальные отличия, представленные в вариантах конструкции.

На Фиг.1. приведено схематическое изображение с примером элементов конструкции: 1- источник постоянного напряжения; 2- интерфейс в виде твердотельной электропроводящей пластины; 3- биомолекулярная проба; 4 –поток излучения в виде электромагнитной волны или материальных частиц из активированной биомолекулярной пробы; 5- детекторная система, воспринимающая поток излучения; 6- первая поверхность пластины 2; 7 - вторая поверхность пластины 2; 8 - рабочий объем высокочастотного генератора электромагнитной волны; 9 – активная динамическая среда генератора, состоящая из мобильных носителей заряда; 10 - тракт передачи электромагнитного излучения, совмещенный с объемом пластины 2 между первой поверхностью 6 и второй поверхностью 7.

Согласно п.1 Формулы, задача решается следующим образом (Фиг.1):

в отличие от известных аналогов и прототипа, рабочий объем высокочастотного генератора электромагнитной волны примыкает к второй поверхности электропроводящей пластины, так что тракт передачи электромагнитного излучения совмещен с объемом твердотельной электропроводящей пластины между ее первой и второй поверхностями. В этом случае при движении возбужденных зарядов в рабочем объеме генератора часть этих зарядов неупруго рассеивается на второй поверхности, передавая энергию электронам проводимости, находящимся в объеме пластины. Электроны проводимости в подложке, в свою очередь, рассеиваются на первой поверхности изнутри пластины, передавая свою энергию биомолекулам, примыкающим к первой поверхности снаружи. За счет действия электронов проводимости, падающих изнутри из объема металла или полупроводника подложки на ее поверхность, происходит активирование аналита, находящегося в прямом контакте с электропроводящей подложкой. Физический эффект передачи энергии в такой системе известен. [Мишин М.В., Цыбин О.Ю. / Письма в ЖТФ, том 22, вып.4, 26 февраля 1996г., С. 21-24; Цыбин О.Ю., Цыбин Ю.О., Кравец Н.М./ Известия АН, Серия физическая, т.66, №8, 2002. с.1293-1206; Цыбин О.Ю. Вакуумная техника и технология Т.21, №1, 2011, стр. 17-20].

Горячие электроны проводимости переходят из объема пластины в биомолекулы на поверхности по связям атомов пластины с молекулярными орбиталями частиц, и за счет этого происходит эффективная передача энергии. Таким образом формируется тракт передачи энергии из рабочего объема СВЧ генератора, полностью расположенный внутри пластины между ее поверхностями. Длительность индивидуального контакта молекулы с пролетным доменом определяется на уровне пико – фемто секунд, что создает сверхширокополосный спектр частот активирующего облучения. В результате активирования возникают внутримолекулярные колебания, излучающие электромагнитные волны преимущественно в дальнем инфракрасном диапазоне. При повышении передаваемой энергии увеличивается вероятность разрыва связей аналита с поверхностью и, соответственно, происходит генерация десорбированного потока частиц аналита. Схематическое изображение полупроводникового биомолекулярного сенсора с примером элементов конструкции показано на Фигуре 1. Обозначены источник постоянного напряжения, интерфейс в виде твердотельной электропроводящей пластины, биомолекулярная проба, поток излучения в виде электромагнитной волны или материальных частиц из активированной биомолекулярной пробы, детекторная система, воспринимающая поток излучения, первая поверхность пластины, вторая поверхность пластины, рабочий объем высокочастотного генератора электромагнитной волны, активная динамическая среда генератора, состоящая из мобильных носителей заряда, тракт передачи электромагнитного излучения, совмещенный с объемом пластины между первой поверхностью и второй поверхностью. По сравнению с прототипом, исключены внешний генератор электромагнитной волны и внешний тракт передачи от него к аналиту. Вместо них установлены встроенный микроэлектронный генератор, в том числе в интегральном исполнении, и встроенный тракт передачи минимальной протяженности.

Согласно п.2 Формулы, высокочастотный генератор электромагнитной волны выполнен в виде микроэлектронного сверхвысокочастотного полупроводникового диода, например, диода Ганна. В пролетном режиме диода Ганна и других СВЧ диодов реализуются осциллирующие электронные и дырочные домены, поле которых выходит на поверхность устройства.

Согласно п.3 Формулы, указанный высокочастотный генератор электромагнитной волны выполнен в виде микроэлектронного сверхвысокочастотного вакуумного прибора, что позволяет существенно повысить в диапазоне ГГц-ТГц мощность активирования биомолекул и, соответственно, амплитуду диагностического сигнала.

Согласно п.4 Формулы, указанная детекторная система выполнена в виде анализатора спектра частот. Возбужденные биомолекулы генерируют резонансное характеристическое излучение в инфракрасном, включая дальний (ТГц) диапазон, и в видимом свете. Спектральные характеристики излучения позволяют эффективно интерпретировать структурный состав биомолекулярной пробы.

Согласно п.5 Формулы, указанная детекторная система выполнена в виде анализатора спектра масс. Возбужденные биомолекулы генерируют поток десорбированных частиц, в том числе в ионизованном состоянии. Масс-спектральные характеристики излучения позволяют с высокой эффективностью интерпретировать структурный состав биомолекулярной пробы.

Согласно п.6 Формулы, указанная электропроводящая подложка изготовлена из органического полупроводника, что позволяет дополнить биохимический анализ аналита.

Согласно п.7 Формулы, указанная электропроводящая пластина подключена более, чем к одному генератору электромагнитной волны, что позволяет существенно расширить амплитудный и спектральный диапазон активирующих излучений.

Суммарный положительный эффект от применения типов конструкции и способов эксплуатации биомолекулярного сенсора согласно предлагаемому изобретению заключается в том, что повышаются универсальность, быстродействие, чувствительность и точность, снижаются масса, габариты и стоимость. Увеличиваются ресурс, повышаются надежность, стабильность и эффективность работы.

Claims (7)

1. Биомолекулярный микроэлектронный сенсор, содержащий высокочастотный генератор, рабочий объем которого подключен к входу тракта передачи электромагнитного излучения, интерфейс в виде твердотельной электропроводящей пластины с первой и второй поверхностями, исследуемую биомолекулярную пробу, примыкающую к указанной первой поверхности, находящейся в зоне облучения из указанного тракта передачи активирующего электромагнитного излучения, детекторную систему, воспринимающую электромагнитное излучение с пространственным и амплитудным разрешением, отличающийся тем, что указанный рабочий объем высокочастотного генератора электромагнитной волны примыкает к указанной второй поверхности электропроводящей пластины, так что указанный тракт передачи электромагнитного излучения совмещен с объемом указанной твердотельной электропроводящей пластины между указанными первой и второй поверхностями.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный высокочастотный генератор электромагнитной волны выполнен в виде микроэлектронного сверхвысокочастотного полупроводникового диода.

3. Устройство по пп.1, 2, отличающееся тем, что указанный высокочастотный генератор электромагнитной волны выполнен в виде микроэлектронного сверхвысокочастотного вакуумного прибора.

4. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что указанная детекторная система выполнена в виде анализатора спектра частот.

5. Устройство по пп.1-4, отличающееся тем, что указанная детекторная система выполнена в виде анализатора спектра масс.

6. Устройство по пп.1-5, отличающееся тем, что указанная электропроводящая подложка изготовлена из органического полупроводника.

7. Устройство по пп.1-6, отличающееся тем, что указанная электропроводящая пластина подключена более чем к одному генератору электромагнитной волны.

Images