[go: up one dir, main page]

RU2774307C1 - Biosensor for indication of biopathogens - Google Patents

Biosensor for indication of biopathogens Download PDF

Info

Publication number
RU2774307C1
RU2774307C1 RU2021134257A RU2021134257A RU2774307C1 RU 2774307 C1 RU2774307 C1 RU 2774307C1 RU 2021134257 A RU2021134257 A RU 2021134257A RU 2021134257 A RU2021134257 A RU 2021134257A RU 2774307 C1 RU2774307 C1 RU 2774307C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrodes
biosensor
nanowire
source
drain
Prior art date
Application number
RU2021134257A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Леонидович Асеев
Владимир Михайлович Генералов
Валерий Борисович Локтев
Елена Викторовна Протопопова
Александр Сергеевич Сафатов
Анастасия Алексеевна Черемискина
Маргарита Витальевна Кручинина
Original Assignee
Федеральное бюджетное учреждение науки "Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор" Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (ФБУН ГНЦ ВБ "Вектор" Роспотребнадзора)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное бюджетное учреждение науки "Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор" Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (ФБУН ГНЦ ВБ "Вектор" Роспотребнадзора) filed Critical Федеральное бюджетное учреждение науки "Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор" Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (ФБУН ГНЦ ВБ "Вектор" Роспотребнадзора)
Application granted granted Critical
Publication of RU2774307C1 publication Critical patent/RU2774307C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: fine particles indicating.
SUBSTANCE: invention relates to means for indicating fine particles (FP) of nano and micron size in suspension: proteins, viruses, bacteria and can be used in the field of medicine, virology, microbiology, biotechnology, toxicology, biology. The biosensor for indicating biopathogens includes a silicon crystal in the form of a substrate on which conductive electrodes are located, which are the source and the first drain of the transistor, a sensitive element, which is the first nanowire, made in a thin-film silicon-on-insulator structure on a silicon substrate and placed between two conductive electrodes source and drain electrodes to form a transistor channel, dielectric coatings that provide insulation for the conductive electrodes. In addition, on the silicon substrate on the other side of the source electrode, symmetrically to the first drain electrode, there is a second drain electrode and a second nanowire installed between the source electrode and the second drain electrode, and on both sides of one of the nanowires, a pair of lateral electrodes for dielectrophoretic concentration of viral particles are installed, located with a gap relative to the specified nanowire and with an axial displacement relative to each other, or on both sides of both nanowires, pairs of lateral electrodes are installed for dielectrophoretic concentration of viral particles, located with a gap relative to of these nanowires and with axial displacement relative to each other.
EFFECT: invention provides an increase in the sensitivity of the biosensor for the indication of biopathogens.
2 cl, 1 ex, 6 dwg

Description

Изобретение относится к средствам индикации мелкодисперсных частиц (МЧ) нано и микронного размера в суспензии: белков, вирусов, бактерий и может быть использовано в области медицины, вирусологии, микробиологии, биотехнологии, токсикологии, биологии.The invention relates to means for indicating fine particles (MP) of nano and micron size in suspension: proteins, viruses, bacteria and can be used in the field of medicine, virology, microbiology, biotechnology, toxicology, biology.

Предшествующий уровень техники в настоящее время, современные аналитические методы индикации вирусов (иммуноферментный, иммунохроматографический, полимеразной цепной реакции (ПЦР), анализ и др.) обладают высочайшим уровнем чувствительности. Они способны обнаружить единичные вирусные частицы и их фрагменты в суспензии с объемом доли микролитра, выявлять специфические участки ДНК, РНК конкретных патогенов [Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия. - Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2004. - 496 с.; илл. - ISBN 5-94087-098-81. Так, например, иммуноферментный метод предоставляет высокую скорость и удобство в проведении диагностической реакции [Егоров A.M., Осипов А.П., Дзантиев Б.Б., Гаврилова Е.М. Теория и практика иммуноферментного анализа. М.: Издательство "Высшая школа", 1991. С. 3-42.].The prior art at the present time, modern analytical methods for the indication of viruses (enzymatic immunoassay, immunochromatographic, polymerase chain reaction (PCR), analysis, etc.) have the highest level of sensitivity. They are able to detect single viral particles and their fragments in suspension with a fraction of a microliter, to identify specific sections of DNA, RNA of specific pathogens [Shchelkunov S.N. genetic engineering. - Novosibirsk: Sib. univ. publishing house, 2004. - 496 p.; ill. - ISBN 5-94087-098-81. For example, the enzyme immunoassay method provides high speed and convenience in carrying out a diagnostic reaction [Egorov A.M., Osipov A.P., Dzantiev B.B., Gavrilova E.M. Theory and practice of enzyme immunoassay. M.: Publishing house "Higher school", 1991. S. 3-42.].

Иммунохроматографический метод при относительно низкой стоимости позволяет осуществлять визуальную оценку результата индикации патогенов [Иммунохроматографический анализ https://monographies.ru/en/book/section?id=99291.The immunochromatographic method at a relatively low cost allows for a visual assessment of the result of the indication of pathogens [Immunochromatographic analysis https://monographies.ru/en/book/section?id=99291.

Метод ПНР значительно увеличивает малые концентрации определенных фрагментов нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) в биологическом материале (пробе) и выявляет специфические участки ДНК или РНК, что дает прямое указание на присутствие возбудителя инфекции.The PNR method significantly increases the low concentrations of certain nucleic acid fragments (DNA or RNA) in the biological material (sample) and reveals specific sections of DNA or RNA, which gives a direct indication of the presence of the infectious agent.

Однако накопленные теоретическая знания указывают, что значительная часть вирусов, низкомолекулярных белков все же ускользает от методов обнаружения вследствие их естественной низкой концентрации. В результате достоверность индикации приобретает случайную величину.However, the accumulated theoretical knowledge indicates that a significant part of viruses and low molecular weight proteins still eludes detection methods due to their natural low concentration. As a result, the reliability of the indication acquires a random value.

Поиск новых принципов и средств индикации патогенов по-прежнему являются актуальным для ранней медицинской диагностики заболевания.The search for new principles and means of indicating pathogens is still relevant for early medical diagnosis of a disease.

Конкурентоспособную альтернативу вышеуказанным аналитическим средствам индикации вирусов могут предложить нанопроволочные биосенсоры на основе структур кремний на изоляторе с нанопролочными сенсорами (КНИ-НП) [Мальсагова К.А. Высокочувствительная детекция низкокопийных белков с использованием нанопроволочного биосенсора. 2019. Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук.]. Разработка технических средств экспресс индикации патогенов с помощью КНИ-НП сенсоров ведется в направлении улучшении характеристик их чувствительности, достоверности, простоты, применение диэлектрофореза, устройств концентрирования.A competitive alternative to the above analytical means of indicating viruses can be offered by nanowire biosensors based on silicon-on-insulator structures with nanowire sensors (SOI-NS) [K.A. Highly sensitive detection of low-copy proteins using a nanowire biosensor. 2019. Dissertation for the degree of candidate of biological sciences.]. The development of technical means for express indication of pathogens using SOI-NP sensors is carried out in the direction of improving the characteristics of their sensitivity, reliability, simplicity, the use of dielectrophoresis, concentration devices.

Известен способ и устройство для манипулирования поляризуемыми аналитами с помощью диэлектрофореза (заявка на патент US 20040011650, Фиг. 1). В устройстве модуль концентрации, включает в себя микрожидкостный канал с впускным и выпускным портами и конструктивным сужением. Два электрода, генерирующие электрическое поле для манипулирования аналитами, расположены выше и ниже по направлению потока. С помощью метода диэлектрофореза целевые аналиты концентрируются или отделяются от загрязняющих и транспортируются в модуль обнаружения. Изобретение позволяет повысить величину обнаружение целевых аналитов. Однако способ и устройство имеют ряд недостатков. Первым недостатком указанного способа является высокие требования к качеству исследуемой суспензии аналита. Суспензия должна иметь низкую электрическую проводимость, частицы микронного размера должны полностью отсутствовать. Они могут приводить к частичной или полной остановки потока суспензии по микрожидкостному каналу. Вторым недостатком является сложность реализации стабильности объемного расхода и величины линейной скорости потока исследуемой жидкости через микрожидкостный канал. Сила диэлектрофореза, действующая на целевой аналит между двумя электродами, генерирующими электрическое поле для манипулирования аналитами, имеет высокую чувствительность от указанных параметров потока суспензии. Третьим недостатком является крайне сложная процедура удаления загрязняющих частиц или воздушных пузырьков из микрожидкостного канала. Четвертым недостатком является проблема стерилизации, промывка нейтрализующим раствором и пробоподготовка микрожидкостного канала к следующему эксперименту. Пятым недостатком является многочисленные сложности совмещения стандартной КМОП-технологии с конструктивными особенностями биосенсора.A known method and device for manipulating polarizable analytes using dielectrophoresis (patent application US 20040011650, Fig. 1). In the device, the concentration module includes a microfluidic channel with inlet and outlet ports and a structural constriction. Two electrodes that generate an electric field for manipulation of analytes are located upstream and downstream. Using the dielectrophoresis method, target analytes are concentrated or separated from contaminants and transported to the detection module. EFFECT: invention allows to increase the value of detection of target analytes. However, the method and device have a number of disadvantages. The first disadvantage of this method is the high quality requirements for the analyzed suspension of the analyte. The suspension should have low electrical conductivity, micron-sized particles should be completely absent. They can lead to a partial or complete stop of the suspension flow through the microfluidic channel. The second disadvantage is the difficulty in realizing the stability of the volumetric flow rate and the magnitude of the linear velocity of the flow of the test liquid through the microfluidic channel. The dielectrophoretic force acting on the target analyte between two electrodes generating an electric field for manipulation of the analytes is highly sensitive to the specified suspension flow parameters. The third disadvantage is the extremely difficult procedure for removing contaminants or air bubbles from the microfluidic channel. The fourth disadvantage is the problem of sterilization, washing with a neutralizing solution and sample preparation of the microfluidic channel for the next experiment. The fifth disadvantage is the numerous difficulties in combining the standard CMOS technology with the design features of the biosensor.

Известен способ увеличения чувствительности биосенсора (заявка на патент US 20060219939), в котором представлены способ и устройство для обнаружения малых количеств биочастиц в небольших объемах образца. Здесь используется квадрупольная система электродов, которая содержит четыре электрода. Между электродами помещается капля исследуемой суспензии. Концентрация и манипуляция целевых частиц осуществляется с помощью метода диэлектрофореза, который обеспечивает их сжатие к центру квадрупольной системы. Способ и устройство также имеют недостатки. Первый недостаток - это четыре электрода и пересечение между собой проводников, подводящих переменное напряжение к ним. Второй недостаток многочисленные сложности совмещения стандартной КМОП-технологии с конструктивными особенностями биосенсора.A known method for increasing the sensitivity of a biosensor (patent application US 20060219939), which presents a method and device for detecting small amounts of bioparticles in small sample volumes. Here, a quadrupole electrode system is used, which contains four electrodes. A drop of the studied suspension is placed between the electrodes. The concentration and manipulation of target particles is carried out using the dielectrophoresis method, which ensures their compression towards the center of the quadrupole system. The method and device also have drawbacks. The first drawback is the four electrodes and the intersection of conductors that supply alternating voltage to them. The second disadvantage is the numerous difficulties in combining the standard CMOS technology with the design features of the biosensor.

Известен биосенсор, описанный в работе (Мальсагова К.А. Высокочувствительная детекция низкокопийных белков с использованием нанопроволочного биосенсора. 2019. Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук., стр. 28-33). Основным элементом биосенсора является массив из 12 транзисторов с нанопроволоками. Каждый транзистор имеет индивидуальные электроды для истока и стока. Конструктивное решение топологии не содержит и не предусматривают использование электродов с целью манипуляции частицами для повышения количества частиц в области НП и, таким образом, увеличения чувствительности биосенсора с помощью диэлектрофореза. В результате, появление искомой вирусной частицы на поверхности нанопроволоки (затворе) носит случайный характер.A known biosensor is described in the work (Malsagova K.A. Highly sensitive detection of low-copy proteins using a nanowire biosensor. 2019. Dissertation for the degree of candidate of biological sciences., pp. 28-33). The main element of the biosensor is an array of 12 transistors with nanowires. Each transistor has individual source and drain electrodes. The design solution of the topology does not contain and does not provide for the use of electrodes for the purpose of particle manipulation in order to increase the number of particles in the NP region and, thus, increase the sensitivity of the biosensor using dielectrophoresis. As a result, the appearance of the desired viral particle on the surface of the nanowire (gate) is random.

Известен биосенсор, содержащий в себе массив нанопроволок на кристалле и интегрированную микрожидкостную систему для подачи биологических растворов [Patolsky F., Timko В.Р., Zheng G., Lieber C.M. Nanowire - Based Nanoelectronic Devices in the Life Sciences // MRS BULLETIN. 2007. Vol. 32. P. 142-149]. Размер чипа составляет 15×15 мм, который расположен на платформе и имеет канал для ввода жидкости, ПДМС (полидиметилсилоксан) канал и канал для вывода жидкостиKnown biosensor containing an array of nanowires on a crystal and an integrated microfluidic system for supplying biological solutions [Patolsky F., Timko B.R., Zheng G., Lieber C.M. Nanowire - Based Nanoelectronic Devices in the Life Sciences // MRS BULLETIN. 2007 Vol. 32. P. 142-149]. The chip size is 15×15 mm, which is located on the platform and has a liquid inlet channel, a PDMS (polydimethylsiloxane) channel and a liquid outlet channel

Однако биосенсор-аналог имеет недостаточную чувствительность, т.к. не имеет электродов для манипуляции вирусными частицами методом диэлектрофореза с целью увеличения их концентрации в области нанопроводов. Для микрожидкостной системы свойственны и типичные недостатки, которые подробно описаны выше (см. заявка на патент США US 20040011650).However, the analogue biosensor has insufficient sensitivity, because does not have electrodes for manipulation of viral particles by dielectrophoresis in order to increase their concentration in the area of nanowires. The microfluidic system also has typical disadvantages, which are described in detail above (see US patent application US 20040011650).

Наиболее близким аналогом (прототипом) является биосенсор (патент на полезную модель РФ №178317, МПК G01N 27/414, опубл. 29.03.2018 г.), выполненный в виде полевого транзистора для определения биологически активных соединений, включающий кремниевую подложку, проводящие электроды, представляющие собой исток и сток транзистора, чувствительный элемент, размещенный между двумя проводящими электродами с образованием канала транзистора, диэлектрические покрытия, обеспечивающие изоляцию проводящих электродов. Чувствительный элемент представляет собой нанопровод, выполненный в тонкопленочной структуре кремний-на-изоляторе, образованной на кремниевой подложке, при этом на поверхность нанопровода нанесены золотые наночастицы диаметром 2-6 нм с плотностью нанесения 100-7000 шт./мкм2, на которые ковалентно иммобилизованы фрагменты высокоспецифических антител к определяемому биологически активному соединению. Проводящие электроды выполнены из хрома, золота, платины, алюминия, титана или сильнолегированного кремния.The closest analogue (prototype) is a biosensor (utility model patent of the Russian Federation No. 178317, IPC G01N 27/414, published on March 29, 2018), made in the form of a field effect transistor for determining biologically active compounds, including a silicon substrate, conductive electrodes, representing the source and drain of the transistor, a sensitive element placed between two conductive electrodes to form a transistor channel, dielectric coatings that provide insulation for the conductive electrodes. The sensitive element is a nanowire made in a thin-film silicon-on-insulator structure formed on a silicon substrate, while gold nanoparticles with a diameter of 2-6 nm are deposited on the surface of the nanowire with a deposition density of 100-7000 pieces/μm 2 , on which gold nanoparticles are covalently immobilized fragments of highly specific antibodies to the determined biologically active compound. Conductive electrodes are made of chromium, gold, platinum, aluminium, titanium or heavily doped silicon.

Однако биосенсор-прототип обладает недостаточной чувствительностью из-за отсутствия средств концентрирования частиц у нанопроводов биосенсора и малого количества транзисторов.However, the prototype biosensor has insufficient sensitivity due to the lack of means for concentrating particles in the biosensor nanowires and the small number of transistors.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение чувствительности биосенсора для индикации вирусных частиц путем увеличения количества нанопроволочных транзисторов и повышения концентрации вирусных частиц в области указанных нанопроводов за счет воздействия на частицы методом диэлектрофореза.The technical result of the claimed invention is to increase the sensitivity of the biosensor for the indication of viral particles by increasing the number of nanowire transistors and increasing the concentration of viral particles in the area of these nanowires due to the effect on the particles by dielectrophoresis.

Указанный технический результат достигается тем, что в биосенсоре для индикации вирусных патогенов, включающем кристалл кремния в виде подложки, на котором расположены проводящие электроды, представляющие собой исток и первый сток транзистора, чувствительный элемент, представляющий собой первый нанопровод, выполненный в тонкопленочной структуре кремний-на-изоляторе на кремниевой подложке и размещенный между двумя проводящими электродами истока и стока с образованием канала транзистора, диэлектрические покрытия, обеспечивающие изоляцию проводящих электродов, согласно изобретения, на кремневой подложке по другую сторону электрода истока симметрично первому электроду стока расположен второй электрод стока и второй нанопровод, установленный между электродом истока и вторым электродом стока, а по обе стороны одного из нанопроводов установлены пара латеральных электродов для диэлектрофоретического концентрирования вирусных частиц, расположенных с зазором относительно указанного нанопровода и с осевым смещением относительно друг друга или по обе стороны обоих нанопроводов установлены пары латеральных электродов для диэлектрофоретического концентрирования вирусных частиц, расположенных с зазором относительно указанных нанопроводов и с осевым смещением относительно друг друга. Осевое смещение латеральных электродов относительно друг друга составляет не больше ширины одного латерального электрода.This technical result is achieved by the fact that in a biosensor for indicating viral pathogens, including a silicon crystal in the form of a substrate, on which conductive electrodes are located, which are the source and the first drain of the transistor, the sensitive element, which is the first nanowire, is made in a thin-film silicon-on-line structure. - an insulator on a silicon substrate and placed between two conductive source and drain electrodes to form a transistor channel, dielectric coatings providing insulation of conductive electrodes, according to the invention, on the silicon substrate on the other side of the source electrode, symmetrically to the first drain electrode, there is a second drain electrode and a second nanowire, installed between the source electrode and the second drain electrode, and on both sides of one of the nanowires, a pair of lateral electrodes for dielectrophoretic concentration of viral particles are installed, located with a gap relative to the specified nanowire and with axial displacement relative to each other or on both sides of both nanowires, pairs of lateral electrodes for dielectrophoretic concentration of viral particles are installed, located with a gap relative to said nanowires and with axial displacement relative to each other. The axial displacement of the lateral electrodes relative to each other is not more than the width of one lateral electrode.

Диэлектрофорез позволяет управлять направлением и скоростью поступательного движение вирусных частиц с помощью амплитудно-частотных характеристик неоднородного переменного электрического поля (НПЭП). Под действием поля, любая частица поляризуется, в ее объеме формируется индуцированный дипольный момент. В результате она движется в сторону ближайшего электрода и оседает на его грани (положительный диэлектрофорез) или поле выталкивает частицу в область, где его градиент минимален (отрицательный диэлектрофорез). Таким образом, манипулируя частицами с помощью параметров неоднородного переменного электрического поля (НПЭП) можно целенаправленно помещать их на поверхность нанопроволоки. Реализация данного технического результата достигается введением латеральных электродов в области пространства охватывающего нанопровод транзистора и использование диэлектрофореза.Dielectrophoresis allows you to control the direction and speed of the translational movement of viral particles using the amplitude-frequency characteristics of an inhomogeneous alternating electric field (NPEP). Under the action of the field, any particle is polarized, and an induced dipole moment is formed in its volume. As a result, it moves towards the nearest electrode and settles on its face (positive dielectrophoresis), or the field pushes the particle into the region where its gradient is minimal (negative dielectrophoresis). Thus, by manipulating particles using the parameters of an inhomogeneous alternating electric field (NIEF), one can purposefully place them on the surface of a nanowire. The implementation of this technical result is achieved by the introduction of lateral electrodes in the area of space covering the nanowire of the transistor and the use of dielectrophoresis.

Заявляемый биосенсор иллюстрируется следующими графическими материалами. На фиг. 1 представлена схема биосенсора, состоящая из двух КНИ-НП транзисторов, одного общего истока и одной пары латеральных электродов. На фиг. 2 представлена схема биосенсора, состоящая из двух КНИ-НП транзисторов, одного общего истока и двух пар латеральных электродов. На фиг. 3 приведена схема биосенсора, состоящая из четырех КНИ-НП транзисторов, двух истоков и двух пар латеральных электродов. На фиг. 4 приведена расчетная структура потенциала электрического поля между двумя латеральными электродами для диэлектрофореза заявляемого биосенсора. На фиг. 5 приведен график временных токов Ids биосенсора, измеренных на воздухе, для 1 мМ PBS, разных напряжениях Vbg и в пробах с разной концентрацией моноклональных антител 10Н10 к вирусу клещевого энцефалита. На фиг. 6 представлена электрическая схема КНИ-НП транзистора заявляемого биосенсора в разрезе по А-А на фиг. 1 вместе с подложкой из кристалла кремния.The inventive biosensor is illustrated by the following graphics. In FIG. Figure 1 shows a biosensor circuit consisting of two SOI-NL transistors, one common source, and one pair of lateral electrodes. In FIG. Figure 2 shows a biosensor circuit consisting of two SOI-NL transistors, one common source, and two pairs of lateral electrodes. In FIG. Figure 3 shows the biosensor circuit, which consists of four SOI-NL transistors, two sources, and two pairs of lateral electrodes. In FIG. 4 shows the calculated structure of the potential of the electric field between two lateral electrodes for dielectrophoresis of the proposed biosensor. In FIG. Figure 5 shows a graph of time currents I ds of the biosensor measured in air for 1 mM PBS, different voltages V bg and in samples with different concentrations of 10H10 monoclonal antibodies to tick-borne encephalitis virus. In FIG. 6 shows the electrical circuit of the SOI-NP transistor of the inventive biosensor in the section along A-A in Fig. 1 together with a silicon crystal substrate.

Описание конструкции заявляемого биосенсора. Биосенсор для индикации вирусных патогенов включает кристалл кремния (Si) в виде подложки 1, на которой расположены проводящие электроды, представляющие собой исток 2 и первый сток 3 транзистора, чувствительный элемент, представляющий собой первый нанопровод 4 (затвор), выполненный в тонкопленочной структуре кремний-на-изоляторе на кремниевой подложке 1 и размещенный между двумя проводящими электродами истока 2 и первого электрода стока 3 с образованием канала транзистора. На кремневой подложке 1 по другую сторону электрода истока 2 симметрично первому электроду стока 3 расположен второй электрод стока 5 и второй нанопровод 6 (затвор), установленный между электродом истока 2 и вторым электродом стока 5. По обе стороны одного из нанопроводов 4 или 6 установлены пара латеральных электродов 7 и 8 для диэлектрофоретического концентрирования вирусных частиц, расположенных с зазором относительно одного из указанных нанопроводов 4 или бис осевым смещением относительно друг друга (фиг. 1). В другом варианте выполнения биосенсора (фиг. 2) по обе стороны обоих нанопроводов 4 и 6 установлены соотвественно пары 7, 8 и 9, 10 латеральных электродов для диэлектрофоретического концентрирования вирусных частиц, расположенных с зазором относительно указанных нанопроводов 4, 6 и с осевым смещением относительно друг друга. Осевое смещение латеральных электродов 7, 8 и 9, 10 относительно друг друга составляет не больше ширины одного латерального электрода. Для обеспечения изоляции проводящие электроды истока 2, первого электрода стока 3 и второго электрода стока 5 имеют диэлектрическое покрытие (на чертежах не показано).Description of the design of the proposed biosensor. The biosensor for indicating viral pathogens includes a silicon crystal (Si) in the form of a substrate 1, on which conductive electrodes are located, which are the source 2 and the first drain 3 of the transistor, a sensitive element, which is the first nanowire 4 (gate), made in a thin-film structure of silicon- on an insulator on a silicon substrate 1 and placed between two conductive source electrodes 2 and the first drain electrode 3 to form a transistor channel. On the silicon substrate 1, on the other side of the source electrode 2, symmetrically to the first drain electrode 3, there is a second drain electrode 5 and a second nanowire 6 (gate) installed between the source electrode 2 and the second drain electrode 5. On both sides of one of the nanowires 4 or 6, a pair of lateral electrodes 7 and 8 for dielectrophoretic concentration of viral particles located with a gap relative to one of these nanowires 4 or bis axial displacement relative to each other (Fig. 1). In another embodiment of the biosensor (Fig. 2), on both sides of both nanowires 4 and 6, pairs 7, 8 and 9, 10, respectively, of lateral electrodes for dielectrophoretic concentration of viral particles are installed, located with a gap relative to these nanowires 4, 6 and with an axial displacement relative to each other. The axial displacement of the lateral electrodes 7, 8 and 9, 10 relative to each other is not more than the width of one lateral electrode. To provide insulation, the conductive electrodes of the source 2, the first drain electrode 3 and the second drain electrode 5 have a dielectric coating (not shown in the drawings).

Вышеприведенные варианты выполнения биосенсора (фиг. 1, 2) позволяют создавать более сложные конструкции биосенсора из 4, 12, 20, 40 и более КНИ-НП транзисторов. На фиг. 3 приведен биосенсор, состоящий из четырех КНИ-НП транзисторов и снабженный дополнительным электродом истока. Биосенсор для индикации вирусных патогенов (также, как на фиг. 1) включает кристалл кремния (Si) в виде подложки 1, на которой расположены проводящие электроды, представляющие собой первый исток 2 и первый сток 3 транзистора, чувствительный элемент, представляющий собой первый нанопровод 4 (затвор), выполненный в тонкопленочной структуре кремний-на-изоляторе на кремниевой подложке 1 и размещенный между двумя проводящими электродами истока 2 и первого электрода стока 3 с образованием канала транзистора. По другую сторону электрода истока 2 симметрично первому электроду стока 3 расположен второй электрод стока 5 и второй нанопровод 6 (затвор), установленный между электродом истока 2 и вторым электродом стока 5. По обе стороны нанопровода 4 установлены пара латеральных электродов 7 и 8 для диэлектрофоретического концентрирования вирусных частиц, расположенных с зазором относительно указанного нанопровода 4 и с осевым смещением относительно друг друга. Кроме того, на подложке 1 расположены проводящие электроды, представляющие собой исток 11 и третий сток 12 транзистора, третий нанопровод 13 (затвор), размещенный между двумя проводящими электродами второго истока 11 и третьего стока 12 с образованием канала транзистора. На кремневой подложке 1 по другую сторону электрода истока 11 симметрично третьему электроду стока 12 расположен электрод четвертого стока 14 и четвертый нанопровод 15 (затвор), установленный между электродами второго истока 11 и четвертого стока 14. По обе стороны нанопровода 15 установлены пара латеральных электродов 16 и 17 для диэлектрофоретического концентрирования вирусных частиц, расположенных с зазором относительно второго нанопровода 11 и с осевым смещением относительно друг друга (фиг. 3).The above embodiments of the biosensor (Fig. 1, 2) allow you to create more complex designs of the biosensor from 4, 12, 20, 40 or more SOI-NL transistors. In FIG. Figure 3 shows a biosensor consisting of four SOI-NL transistors and equipped with an additional source electrode. A biosensor for indicating viral pathogens (as in Fig. 1) includes a silicon crystal (Si) in the form of a substrate 1, on which conductive electrodes are located, representing the first source 2 and the first drain 3 of the transistor, a sensitive element, which is the first nanowire 4 (gate) made in a silicon-on-insulator thin-film structure on a silicon substrate 1 and placed between two conductive source electrodes 2 and the first drain electrode 3 to form a transistor channel. On the other side of the source electrode 2, symmetrically to the first drain electrode 3, there is a second drain electrode 5 and a second nanowire 6 (gate) installed between the source electrode 2 and the second drain electrode 5. A pair of lateral electrodes 7 and 8 are installed on both sides of the nanowire 4 for dielectrophoretic concentration viral particles located with a gap relative to the specified nanowire 4 and with axial displacement relative to each other. In addition, conductive electrodes are located on the substrate 1, which are the source 11 and the third drain 12 of the transistor, the third nanowire 13 (gate) placed between the two conductive electrodes of the second source 11 and the third drain 12 to form a transistor channel. On the silicon substrate 1, on the other side of the source electrode 11, symmetrically to the third drain electrode 12, there is a fourth drain electrode 14 and a fourth nanowire 15 (gate) installed between the electrodes of the second source 11 and the fourth drain 14. On both sides of the nanowire 15, a pair of lateral electrodes 16 and 17 for dielectrophoretic concentration of viral particles located with a gap relative to the second nanowire 11 and with axial displacement relative to each other (Fig. 3).

Представленная на фиг. 6 электрическая схема КНИ-НП транзистора заявляемого биосенсора в разрезе по А-А на фиг. 1 вместе с подложкой 1 из кристалла кремния содержит индуцированный канал 18 проводимости (подзатвор) транзистора, расположенный под нанопроводом 4 (затвором) транзистора и референс-электрод 19. Источник 20 постоянного напряжения U=0,15 В подключен в цепи сток 3-исток 2. Клемма плюс источника 20 постоянного напряжения подключен ко всем стокам. Источник 21 постоянного напряжения в интервале U=0-30 В (например, OJ5003CIII) подключают в цепь подзатвор - земля. С помощью универсального вольтметра 22 (например, В7-73/3), включенного в режим амперметра постоянного тока, выполнялись измерения Ids - тока биосенсора. Исследуемая капля суспензии 23 содержит вирусные частицы 24 и антитела 25.Shown in FIG. 6 is an electrical circuit of the SOI-NP transistor of the inventive biosensor in the section along A-A in Fig. 1, together with the silicon crystal substrate 1, contains an induced conductivity channel 18 (subgate) of the transistor, located under the nanowire 4 (gate) of the transistor and a reference electrode 19. A constant voltage source 20 U=0.15 V is connected in the drain 3-source 2 circuit The plus terminal of the DC voltage source 20 is connected to all drains. A source 21 of constant voltage in the range U=0-30 V (for example, OJ5003CIII) is connected to the gate - ground circuit. Using a universal voltmeter 22 (for example, V7-73/3), included in the DC ammeter mode, measurements were made of I ds - biosensor current. The test drop of suspension 23 contains virus particles 24 and antibodies 25.

Принцип действия биосенсора состоит в следующем.The principle of operation of the biosensor is as follows.

Источник 20 питания 0,15 В положительной клеммой подключается к стоку(ам) (3, 5, 12, 14) транзистора(ов) через типовые контактные площадки (на чертежах не показаны). Отрицательная клемма источника 20 подключается к истоку(ам) (2, 11) является общей (земля) для всех транзисторов (биосенсоров) в электрической принципиальной схеме (фиг. 6).The 0.15 V power supply 20 is connected by a positive terminal to the drain(s) (3, 5, 12, 14) of the transistor(s) through typical pads (not shown in the drawings). The negative terminal of source 20 connected to source(s) (2, 11) is common (ground) for all transistors (biosensors) in the electrical circuit diagram (FIG. 6).

На индуцированный канал 18 проводимости (подзатвор) транзистора от источника 21 подается напряжение в интервале (0-30) В. Напряжение устанавливается таким, чтобы начальный ток Ids коллектора транзистора в режиме холостого хода составлял примерно 10-6 А. Начальный Ids ток коллектора транзистора устанавливается при полном отсутствие исследуемой пробы (капли 23 исследуемой суспензии).A voltage in the range (0-30) V is applied to the induced conduction channel 18 (sub-gate) of the transistor from the source 21. The voltage is set so that the initial current I ds of the transistor collector in idle mode is approximately 10 -6 A. The initial collector current I ds the transistor is installed in the complete absence of the test sample (drops 23 of the test suspension).

Далее на поверхность массива транзисторов наносится капля 23 суспензии антител 25 объемом (0,5-1,0) мкл. Она должна обязательно накрывать нанопроводы (4, 6, 13, 15). Ток транзистора после некоторого времени (100-200) секунд устанавливается на уровне состояния покоя. Этот уровень принимается как уровень отсчета. Все дальнейшие измерения величины Ids тока транзистора производятся относительно него. Далее вносится исследуемая суспензия объемом 0,5-1,0 мкл. В ее составе присутствуют вирусные частицы 24 (антиген). Если антитела 25 являются специфическими по отношению к внесенным вирусным частицам 24, то между ними образуются устойчивые комплексы антитело + антиген. Указанные комплексы на разделе фаз исследуемая суспензия-поверхность нанопровода (4, 6, 13, 15) образуют электрический заряд, который модулирует проводимость индуцированного канала 18 и, как следствие, изменяется ток стока транзистора. Суммарный электрический заряд комплексов антитело + антиген отражает количества вирусных частиц и амплитуду изменения тока транзистора как биосенсора. Положительный знак электрического заряда комплексов увеличивает проводимость индуцированного канала 18 и величину тока транзистора. Данная реакция определяется хорошо известными свойствами npn транзистора [Дьяконов В.П., Максимчук А.А., Ремнев А.М., Смердов В.Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах / Дьяконов В.П. - М.: СОЛОН-Р, 2002. - 512 с.]. Аналогично, отрицательный заряд комплексов уменьшает величину и амплитуду тока транзистора (биосенсора).Next, a drop 23 of a suspension of antibodies 25 with a volume of (0.5-1.0) μl is applied to the surface of the array of transistors. It must necessarily cover the nanowires (4, 6, 13, 15). The transistor current after some time (100-200) seconds is set at the level of the resting state. This level is taken as the reference level. All further measurements of the transistor current Ids are made relative to it. Next, the test suspension is added with a volume of 0.5-1.0 μl. It contains viral particles 24 (antigen). If the antibodies 25 are specific to the introduced viral particles 24, stable antibody + antigen complexes are formed between them. These complexes at the phase separation of the investigated suspension-nanowire surface (4, 6, 13, 15) form an electric charge that modulates the conductivity of the induced channel 18 and, as a result, the transistor drain current changes. The total electric charge of the antibody + antigen complexes reflects the number of viral particles and the amplitude of the change in the current of the transistor as a biosensor. The positive sign of the electric charge of the complexes increases the conductivity of the induced channel 18 and the magnitude of the transistor current. This reaction is determined by the well-known properties of the npn transistor [Dyakonov V.P., Maksimchuk A.A., Remnev A.M., Smerdov V.Yu. Encyclopedia of devices on field-effect transistors / Dyakonov V.P. - M.: SOLON-R, 2002. - 512 p.]. Similarly, the negative charge of the complexes reduces the magnitude and amplitude of the current of the transistor (biosensor).

Латеральные электроды (7, 8, 9, 10, 16, 17) позволяют управлять направлением поступательного движения вирусных частиц 24 с помощью метода диэлектрофореза. После внесения исследуемой суспензии на поверхность массива транзисторов и нанопровода (4, 6, 13, 15), на 5-10 секунд подают переменное напряжение на латеральные электроды (7, 8, 9, 10, 16, 17). В результате концентрация вирусных частиц 24 в области нанопровода (4, 6, 13, 15) и на разделе фаз исследуемая суспензия-нанопровод (затвора транзистора) возрастает, что увеличивает вероятность индикации искомых вирусных частиц 24. Амплитуда и частота переменного напряжения на латеральных электродах (7, 8, 9, 10, 16, 17) определяется экспериментально для каждого антигена индивидуально.Lateral electrodes (7, 8, 9, 10, 16, 17) allow you to control the direction of the translational movement of viral particles 24 using the dielectrophoresis method. After the test suspension is added to the surface of the array of transistors and nanowire (4, 6, 13, 15), an alternating voltage is applied to the lateral electrodes (7, 8, 9, 10, 16, 17) for 5-10 seconds. As a result, the concentration of viral particles 24 in the region of the nanowire (4, 6, 13, 15) and at the phase separation of the suspension-nanowire (transistor gate) under study increases, which increases the probability of indicating the desired viral particles 24. The amplitude and frequency of the alternating voltage on the lateral electrodes ( 7, 8, 9, 10, 16, 17) is determined experimentally for each antigen individually.

Временная зависимость тока Ids биосенсора, измеренные на воздухе, в пробах с разной концентрацией вируса клещевого энцефалита представлено на фиг. 5.The time dependence of the current I ds of the biosensor, measured in air, in samples with different concentrations of tick-borne encephalitis virus is shown in Fig. 5.

Пример выполнения и использования заявляемого биосенсора.An example of the implementation and use of the proposed biosensor.

В эксперименте использовался заявляемый биосенсор, изготовленный в институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, фрагмент которого приведен на фиг. 3 и состоящий из 40 полевых транзисторов, подключенных к двум общим электродам, выполняющих функцию первого и второго истока (2, 11), латеральные электроды (7, 8, 16, 17) для манипуляции направлением поступательного движения частиц антигена 24 и антител 25 в ближайшем пространстве нанопровода 4 или 15, использование источников постоянного напряжения 20 и 21.The experiment used the inventive biosensor manufactured at the Institute of Semiconductor Physics. A.V. Rzhanov of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, a fragment of which is shown in Fig. 3 and consisting of 40 field-effect transistors connected to two common electrodes that perform the function of the first and second sources (2, 11), lateral electrodes (7, 8, 16, 17) for manipulating the direction of the forward movement of antigen 24 and antibody 25 particles in the nearest space nanowires 4 or 15, the use of constant voltage sources 20 and 21.

Кристалл биосенсора в виде подложки 1 изготовлен на основе пластин фирмы SOITEC (Франция). Пластины имели проводимость р-типа и удельное сопротивление 14-22 Ом см.The biosensor crystal in the form of substrate 1 is made on the basis of SOITEC plates (France). The plates had a p-type conductivity and a resistivity of 14-22 Ohm cm.

Внешний вид топологии четырех КНИ-НП транзисторов на двух истоках 2, 11 с латеральными управляющими электродами (7, 8, 16, 17) представлены на Фиг. 3. Схема электрическая КНИ-НП транзистора представлена на фиг. 6. Транзисторы изготавливались методом оптической литографии. Все транзисторы имели структуру n-p-n типа.The external view of the topology of four SOI-NL transistors on two sources 2, 11 with lateral control electrodes (7, 8, 16, 17) is shown in Fig. 3. The electrical circuit of the SOI-NP transistor is shown in Fig. 6. Transistors were made by optical lithography. All transistors had an n-p-n type structure.

На латеральные электроды подавали переменное гармоническое напряжение с частотой 1 МГц и амплитудой U=10 В, без постоянной составляющей с генератора Г3-112/1 [Техническое описание и инструкция по эксплуатации Г3-112/1]. Частота контролировалась с помощью частотомера АСН-8322. Относительная погрешность измерения частоты не превышала ±10-4% [Руководство пользователя. Частотомер АСН-8322]. Напряжение контролировалось вольтметром В7-78-3. Относительная погрешность измерения амплитуды напряжения составляла не более ± 0,16% [Руководство по эксплуатации. Вольтметр универсальный цифровой В7-78/3.].An alternating harmonic voltage with a frequency of 1 MHz and an amplitude of U=10 V was applied to the lateral electrodes, without a constant component from the generator G3-112/1 [Technical description and operating instructions G3-112/1]. The frequency was controlled using an ASN-8322 frequency meter. The relative frequency measurement error did not exceed ±10 -4 % [User's Guide. Frequency meter ASN-8322]. The voltage was controlled by a V7-78-3 voltmeter. The relative error in measuring the voltage amplitude was no more than ± 0.16% [Operating manual. Universal digital voltmeter V7-78/3.].

Между латеральными электродами (7, 8) НПЭП

Figure 00000001
вызывает перераспределение (поляризацию) совокупности свободных и связанных, положительных q+ и отрицательных q- зарядов во всем объеме частицы 24 (клетке, вирусе, бактерии и др.). В результате возникает индуцированный диполь
Figure 00000002
на который действует усредненный по времени вектор силы, см. уравнение (1). Он приводит частицу (клетку, бактерию, вирус и др) в поступательное движение и удерживает ее между латеральными электродами (7, 8) [Hughes М.Р., Morgan Н., Rixon F.J. Dielectrophoretic manipulation and characterization of herpes simplex virus-1 capsids // Eur. Biophys. J. 2001. V. 30, N 4. P. 268-272.].Between lateral electrodes (7, 8) NPEP
Figure 00000001
causes a redistribution (polarization) of the totality of free and bound, positive q + and negative q - charges in the entire volume of particle 24 (cell, virus, bacteria, etc.). The result is an induced dipole
Figure 00000002
on which the time-averaged force vector acts, see equation (1). It brings the particle (cell, bacterium, virus, etc.) into translational motion and keeps it between the lateral electrodes (7, 8) [Hughes M.R., Morgan N., Rixon FJ Dielectrophoretic manipulation and characterization of herpes simplex virus-1 capsids // EUR. Biophys. J. 2001. V. 30, N 4. P. 268-272.].

Figure 00000003
Figure 00000003

где: εcp - диэлектрическая проницаемость среды;where: ε cp - dielectric constant of the medium;

εкл - диэлектрическая проницаемость частицы (клетки и др);ε cl - dielectric permittivity of the particle (cells, etc.);

Figure 00000004
- градиент квадрата напряженности электрического поля в среде.
Figure 00000004
- the gradient of the square of the electric field strength in the medium.

В зависимости от знака разницы εклср сила, действующая на частицу, может быть как положительной, так и отрицательной. На частоте 1 МГц она положительная. В этом случае, частицы движутся на грань электродов (7, 8) в область с максимальным градиентом квадрата напряженности эклектического поля и оседают на нейDepending on the sign of the difference ε clav , the force acting on the particle can be either positive or negative. At a frequency of 1 MHz, it is positive. In this case, the particles move to the edge of the electrodes (7, 8) in the area with the maximum gradient of the square of the eclectic field strength and settle on it

Сдвиг латеральных электродов относительно оси симметрии обеспечивает возможность достижения максимального

Figure 00000005
градиента напряженности электрического поля между ними по оси симметрии. Расчетная структура потенциала ϕ электрического поля между латеральными электродами для диэлектрофореза представлена на фиг. 4.The shift of the lateral electrodes relative to the axis of symmetry makes it possible to achieve the maximum
Figure 00000005
electric field strength gradient between them along the axis of symmetry. The calculated structure of the potential ϕ of the electric field between the lateral electrodes for dielectrophoresis is shown in Fig. four.

Значения компонент напряженности Е электрического поля между латеральными электродами вычисляются по координатам X, Y как сумма их квадратовThe values of the strength components E of the electric field between the lateral electrodes are calculated from the coordinates X, Y as the sum of their squares

Figure 00000006
Figure 00000006

Искомая величина градиента квадрата напряженности двухмерного электрического поля в каждой точке между латеральными электродами (7, 8) находится по формулеThe desired value of the gradient of the squared strength of the two-dimensional electric field at each point between the lateral electrodes (7, 8) is found by the formula

Figure 00000007
Figure 00000007

Результаты индикации антител к клещевому энцефалиту 10Н10The results of the indication of antibodies to tick-borne encephalitis 10H10

В эксперименте использовался:The experiment used:

- вирус клещевого энцефалита Штамм 205 (ФБУН ГНЦ ВБ "Вектор Роспотребнадзора);- tick-borne encephalitis virus Strain 205 (FBSI SRC VB "Vector of Rospotrebnadzor");

- моноклональные антитела 10Н10 к вирусу клещевого энцефалита (ФБУН ГНЦ ВБ "Вектор" Роспотребнадзора).- monoclonal antibodies 10H10 to tick-borne encephalitis virus (FBSI SRC VB "Vector" of Rospotrebnadzor).

Фосфатный буфер (PBS) 1 мМ разводили в: Na2HPO4 0.05 M + NaCl 0.15 М, рН8. Исследуемая суспензия 23 очищенных моноклональных антител (МКА) 10Н10 к вирусу клещевого энцефалита (КЭ), штамм 205, имела концентрацию 1 мг/мл в растворе 0.15 М NaCl, 0.010 М Trib рН7.4. Суспензия МКА последовательно для выполнение экспериментов разбавлялась в 1 мМ PBS в соотношениях 10H10:PBS=10-1-10-6 и наносилась капельным способом (объем капли 1 мкл) на кристалл в виде подложки 1 биосенсора и поверхность нанопровода 4. Концентрация антител к вирусу КЭ составляла ~ 106 шт/мкл. В эксперименте использовалась физическая фиксации антител на поверхности нанопровода 4 как не дорогая и наиболее простая. С этой целью модификация поверхности нанопровода 4 не проводилась [Никонов А.М., Наумова О.В., Генералов В.М., Сафатов А.С., Фомин Б.И. Подготовка поверхности нанопроволочных кремниевых полевых транзисторов как этап создания биосенсора: обзор. Поверхность. Рентгеновские, синхронные и нейтронные исследования, 2020, №4, стр. 24-34.]. Перед измерением на латеральные электроды (7, 8) в течение 5 секунд подается переменное напряжение с частотой 1 МГц и амплитудой 10 В. Между латеральными электродами (7, 8) возникает поле и диэлектрофорез частиц, которые движутся в сторону ближайшего электрода и оседают на его грани и на поверхность нанопровода 4. С помощью напряжения источника 21 питания OJ5003CIII выбирается начальная величина Ids тока биосенсора, относительно которой производится отсчет.Phosphate buffer (PBS) 1 mM was diluted in: Na 2 HPO 4 0.05 M + NaCl 0.15 M, pH8. The studied suspension of 23 purified monoclonal antibodies (MCA) 10H10 to tick-borne encephalitis virus (TBE), strain 205, had a concentration of 1 mg/ml in a solution of 0.15 M NaCl, 0.010 M Trib pH7.4. The MCA suspension was sequentially diluted in 1 mM PBS in the ratios 10H10:PBS=10 -1 -10 -6 for performing the experiments and applied by drop method (drop volume 1 μl) onto the crystal in the form of a substrate 1 of the biosensor and the surface of the nanowire 4. Concentration of antibodies to the virus EC was ~ 10 6 pcs/µl. In the experiment, the physical fixation of antibodies on the surface of nanowire 4 was used, as it is not expensive and the simplest. For this purpose, the surface of the nanowire 4 was not modified [Nikonov A.M., Naumova O.V., Generalov V.M., Safatov A.S., Fomin B.I. Surface preparation of nanowire silicon field-effect transistors as a stage of biosensor development: a review. Surface. X-ray, synchronous and neutron studies, 2020, No. 4, pp. 24-34.]. Before measurement, an alternating voltage with a frequency of 1 MHz and an amplitude of 10 V is applied to the lateral electrodes (7, 8) for 5 seconds. A field and dielectrophoresis of particles arise between the lateral electrodes (7, 8), which move towards the nearest electrode and settle on it edge and onto the surface of the nanowire 4. Using the voltage of the power source 21 OJ5003CIII, the initial value I ds of the biosensor current is selected, relative to which the reading is made.

При увеличении напряжения источника 21 питания Vbg значения тока Ids увеличивается (см. фиг. 5), t - 2500 sec. Положительное напряжение источника 21 индуцирует электронный канал проводимости 18 между областями истока 2 и стока 3 биосенсора. Экспериментально оптимальная начальная величина тока Ids выбрана на уровне 10-6 А, что обеспечивает высокую чувствительность биосенсора. Уменьшение тока Ids при фиксированном напряжении Vbg и после замены PBS на пробу с МКА (t=1000-1200) sec означает, что антитела к вирусу КЭ в исследуемых пробах на поверхности нанопровода 4 транзистора имеют отрицательный заряд. Этот вывод следует из хорошо известной реакции транзистора со структурой n-p-n [Дьяконов В.П., Максимчук А.А., Ремнев А.М., Смердов В.Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах / Дьяконов В.П. - М.: СОЛОН-Р, 2002. - 512 с.].With an increase in the voltage of the power source 21 V bg current values I ds increases (see Fig. 5), t - 2500 sec. The positive voltage of the source 21 induces an electronic conduction channel 18 between the source 2 and drain 3 regions of the biosensor. Experimentally, the optimal initial value of the current I ds was chosen at the level of 10 -6 A, which ensures high sensitivity of the biosensor. A decrease in current I ds at a fixed voltage V bg and after replacing PBS with a sample with MCA (t=1000-1200) sec means that antibodies to the TBE virus in the samples under study on the surface of the nanowire 4 of the transistor have a negative charge. This conclusion follows from the well-known reaction of a transistor with an npn structure [Dyakonov V.P., Maksimchuk A.A., Remnev A.M., Smerdov V.Yu. Encyclopedia of devices on field-effect transistors / Dyakonov V.P. - M.: SOLON-R, 2002. - 512 p.].

Амплитудные изменения величины тока Ids биосенсора от напряжения Vbg, и концентрации МКА в пробе представлены на фиг. 5, где приведен график временных токов Ids биосенсора, измеренных на воздухе (t=0-100) sec, для 1 мМ PBS (t=100-1200) sec, разных напряжениях Vbg и в пробах с разной концентрацией моноклональных антител 10Н10 к вирусу клещевого энцефалита (t=1200-2500) sec. На временном участке 2500 sec напряжение от источника 21 увеличили до 20 В для разведения вируса в 10-4 раз. Из приведенных данных следует, что отклик биосенсора - относительные изменения тока Ids для пробы 10Н10:PBS=10-6 составляет ~ 65%, для пробы с разведением 10-5 - 90%. На пробу 10-4 биосенсор практически не реагирует - наблюдается насыщение, связанное, с отсутствием свободных связей, способных обеспечить адсорбцию МКА на поверхность сенсора, или блокирован доступ к этим связям.Amplitude changes in biosensor current I ds as a function of voltage V bg , and MCA concentration in the sample are shown in Fig. 5, which shows a graph of time currents I ds of the biosensor, measured in air (t=0-100) sec, for 1 mM PBS (t=100-1200) sec, different voltages V bg and in samples with different concentrations of monoclonal antibodies 10H10 to tick-borne encephalitis virus (t=1200-2500) sec. At a time interval of 2500 sec, the voltage from source 21 was increased to 20 V to dilute the virus by 10 -4 times. From the given data it follows that the response of the biosensor - the relative changes in current I ds for the sample 10H10:PBS=10 -6 is ~ 65%, for a sample with a dilution of 10 -5 - 90%. The biosensor practically does not react to a sample of 10 -4 - saturation is observed, associated with the absence of free bonds capable of ensuring the adsorption of MCA on the sensor surface, or access to these bonds is blocked.

Таким образом, пример выполнения и использования заявляемого биосенсора подтверждает достижение заявляемого технического результата, состоящего в повышении чувствительности биосенсора для индикации вирусных частиц за счет их концентрации методом диэлектрофореза на поверхности нанопровода.Thus, an example of the implementation and use of the proposed biosensor confirms the achievement of the claimed technical result, which consists in increasing the sensitivity of the biosensor to indicate viral particles due to their concentration by dielectrophoresis on the surface of the nanowire.

Claims (2)

1. Биосенсор для индикации биопатогенов, включающий кристалл кремния в виде подложки, на котором расположены проводящие электроды, представляющие собой исток и первый сток транзистора, чувствительный элемент, представляющий собой первый нанопровод, выполненный в тонкопленочной структуре кремний-на-изоляторе на кремниевой подложке и размещенный между двумя проводящими электродами истока и стока с образованием канала транзистора, диэлектрические покрытия, обеспечивающие изоляцию проводящих электродов, отличающийся тем, что на кремневой подложке по другую сторону электрода истока симметрично первому электроду стока расположены второй электрод стока и второй нанопровод, установленный между электродом истока и вторым электродом стока, а по обе стороны одного из нанопроводов установлены пара латеральных электродов для диэлектрофоретического концентрирования вирусных частиц, расположенных с зазором относительно указанного нанопровода и с осевым смещением относительно друг друга или по обе стороны обоих нанопроводов установлены пары латеральных электродов для диэлектрофоретического концентрирования вирусных частиц, расположенных с зазором относительно указанных нанопроводов и с осевым смещением относительно друг друга.1. A biosensor for indicating biopathogens, including a silicon crystal in the form of a substrate, on which conductive electrodes are located, which are the source and the first drain of the transistor, a sensitive element, which is the first nanowire, made in a thin-film silicon-on-insulator structure on a silicon substrate and placed between two conductive source and drain electrodes to form a transistor channel, dielectric coatings that provide insulation of conductive electrodes, characterized in that on the silicon substrate on the other side of the source electrode, symmetrically to the first drain electrode, there is a second drain electrode and a second nanowire installed between the source electrode and the second drain electrode, and on both sides of one of the nanowires, a pair of lateral electrodes for dielectrophoretic concentration of viral particles are installed, located with a gap relative to the specified nanowire and with an axial displacement relative to each other or both The crowns of both nanowires are equipped with pairs of lateral electrodes for dielectrophoretic concentration of viral particles, located with a gap relative to these nanowires and with an axial displacement relative to each other. 2. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что осевое смещение латеральных электродов относительно друг друга составляет не больше ширины одного латерального электрода.2. The biosensor according to claim 1, characterized in that the axial displacement of the lateral electrodes relative to each other is not more than the width of one lateral electrode.
RU2021134257A 2021-11-23 Biosensor for indication of biopathogens RU2774307C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2774307C1 true RU2774307C1 (en) 2022-06-17

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU215954U1 (en) * 2022-08-25 2023-01-11 Федеральное бюджетное учреждение науки "Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор" Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (ФБУН ГНЦ ВБ "Вектор" Роспотребнадзора) Biosensor for indication of biological particles

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120073992A1 (en) * 2010-09-24 2012-03-29 Kim Jae-Ho Biosensor based on carbon nanotube-electric field effect transistor and method for producing the same
WO2014042418A1 (en) * 2012-09-12 2014-03-20 주식회사 아이엠헬스케어 Fet-based bio sensor using ohmic junction
RU178317U1 (en) * 2017-02-17 2018-03-29 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) FIELD TRANSISTOR FOR DETERMINING BIOLOGICALLY ACTIVE COMPOUNDS
CN109427908A (en) * 2017-08-24 2019-03-05 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 Three-dimensional silicon nanowire array field effect transistor, biosensor and preparation method
RU2018124345A (en) * 2015-12-09 2020-01-09 Рамот Ат Тель-Авив Юниверсити Лтд. METHOD AND SYSTEM FOR TOUCH DETECTION

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120073992A1 (en) * 2010-09-24 2012-03-29 Kim Jae-Ho Biosensor based on carbon nanotube-electric field effect transistor and method for producing the same
WO2014042418A1 (en) * 2012-09-12 2014-03-20 주식회사 아이엠헬스케어 Fet-based bio sensor using ohmic junction
RU2018124345A (en) * 2015-12-09 2020-01-09 Рамот Ат Тель-Авив Юниверсити Лтд. METHOD AND SYSTEM FOR TOUCH DETECTION
RU178317U1 (en) * 2017-02-17 2018-03-29 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) FIELD TRANSISTOR FOR DETERMINING BIOLOGICALLY ACTIVE COMPOUNDS
CN109427908A (en) * 2017-08-24 2019-03-05 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 Three-dimensional silicon nanowire array field effect transistor, biosensor and preparation method

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU215954U1 (en) * 2022-08-25 2023-01-11 Федеральное бюджетное учреждение науки "Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор" Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (ФБУН ГНЦ ВБ "Вектор" Роспотребнадзора) Biosensor for indication of biological particles
RU2796202C1 (en) * 2023-01-19 2023-05-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Method for manufacturing a biosensor structure
RU223220U1 (en) * 2023-11-21 2024-02-08 Федеральное бюджетное учреждение науки "Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор" Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (ФБУН ГНЦ ВБ "Вектор" Роспотребнадзора) Biosensor for indication of biological particles

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. AC electrokinetics-enhanced capacitive immunosensor for point-of-care serodiagnosis of infectious diseases
Pachauri et al. Biologically sensitive field-effect transistors: from ISFETs to NanoFETs
Patolsky et al. Nanowire-based biosensors
Zhang et al. Silicon nanowire biosensor and its applications in disease diagnostics: a review
EP3586115B1 (en) Analyte detector for detecting at least one analyte in at least one fluid sample
Cui et al. Rapid and sensitive detection of small biomolecule by capacitive sensing and low field AC electrothermal effect
US9188560B2 (en) Electro-diffusion enhanced bio-molecule charge detection using electrostatic interaction
Lin et al. A reversible surface functionalized nanowire transistor to study protein–protein interactions
Swami et al. Enhancing DNA hybridization kinetics through constriction-based dielectrophoresis
Hayes Dielectrophoresis of proteins: experimental data and evolving theory
US20190187148A1 (en) Biomolecular interaction detection devices and methods
Niu et al. Femtomolar detection of lipopolysaccharide in injectables and serum samples using aptamer-coupled reduced graphene oxide in a continuous injection-electrostacking biochip
JP2021039114A (en) Debye length modulation
Cheng et al. A PCR-free point-of-care capacitive immunoassay for influenza A virus
JP2023500818A (en) An electrical sensor that is a quantum-mechanical tunneling current sensor for whole-particle virus detection
Malsagova et al. A SOI-nanowire biosensor for the multiple detection of D-NFATc1 protein in the serum
Pulikkathodi et al. Enumeration of circulating tumor cells and investigation of cellular responses using aptamer-immobilized AlGaN/GaN high electron mobility transistor sensor array
WO2016085126A1 (en) Ion-sensitive field effect transistor biosensor combined with nanoprobe
Esfandyarpour et al. Nanoelectronic impedance detection of target cells
Kim et al. High-throughput multi-gate microfluidic resistive pulse sensing for biological nanoparticle detection
Shao et al. Cerebrospinal fluid leak detection with a carbon nanotube-based field-effect transistor biosensing platform
Song et al. Enhancing affinity‐based electroanalytical biosensors by integrated AC electrokinetic enrichment—A mini review
RU2774307C1 (en) Biosensor for indication of biopathogens
Rani et al. Silicon nanowire field-effect biosensors
Ma et al. Portable immunosensor directly and rapidly detects Mycobacterium tuberculosis in sputum