RU223220U1 - Biosensor for indication of biological particles - Google Patents

Biosensor for indication of biological particles Download PDF

Info

Publication number
RU223220U1
RU223220U1 RU2023130512U RU2023130512U RU223220U1 RU 223220 U1 RU223220 U1 RU 223220U1 RU 2023130512 U RU2023130512 U RU 2023130512U RU 2023130512 U RU2023130512 U RU 2023130512U RU 223220 U1 RU223220 U1 RU 223220U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
biosensor
suspension
measuring chamber
biological particles
silicon crystal
Prior art date
Application number
RU2023130512U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Михайлович Генералов
Александр Викторович Глухов
Виктория Константиновна Грабежова
Даниил Васильевич Шаньшин
Анастасия Алексеевна Черемискина
Дмитрий Николаевич Щербаков
Александр Сергеевич Сафатов
Сергей Антипович Старокожев
Данил Евгеньевич Сердюк
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 RU223220U1 publication Critical patent/RU223220U1/en

Links

Abstract

Полезная модель относится к биосенсору для индикации мелкодисперсных частиц (МЧ) нано и микронного размера в суспензии: белков, вирусов, бактерий, и может быть использована в области медицины, вирусологии, биотехнологии. Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности, скорости детекции биосенсора биочастиц, а также упрощение его эксплуатации. Биосенсор для индикации биологических частиц, включающий корпус (1) и установленный в нем кристалл (2) кремния с расположенными на нем электродом заземления (3) для обеспечения электрического контакта снизу с исследуемой суспензией биологических частиц, транзисторами, над которыми образована измерительная камера (4) для исследования суспензии биологических частиц. Транзисторы содержат стоки (5, 6) и истоки (7, 8), между которыми расположены чувствительные элементы, выполненные в виде нанопроволок (9, 10) соответственно. Измерительная камера (4) выполнена чашеобразной и осесимметричной, на наклонные боковые края которой и в зазор между корпусом (1) и кристаллом (2) кремния нанесен слой (11) электроизоляционной эмали. Электрод заземления (3) сверху покрыт нанослоем золота и расположен в центре измерительной камеры (4) на кристалле (2) кремния. Поверхность измерительной камеры (4), контактирующая с исследуемой суспензией биологических частиц, за исключением электрода заземления (3), покрыта нанослоем (10) диоксида гафния. 1 з.п. ф-лы, 6 ил. The utility model relates to a biosensor for indicating nano- and micron-sized fine particles (MPs) in suspension: proteins, viruses, bacteria, and can be used in the field of medicine, virology, and biotechnology. The technical result of the claimed utility model is to increase the reliability and detection speed of the biosensor of bioparticles, as well as simplify its operation. A biosensor for indicating biological particles, including a housing (1) and a silicon crystal (2) installed in it with a grounding electrode (3) located on it to ensure electrical contact from below with the suspension of biological particles under study, transistors, above which a measuring chamber (4) is formed. for studying suspensions of biological particles. The transistors contain drains (5, 6) and sources (7, 8), between which there are sensitive elements made in the form of nanowires (9, 10), respectively. The measuring chamber (4) is cup-shaped and axisymmetric, on the inclined side edges of which and in the gap between the body (1) and the silicon crystal (2) a layer (11) of electrical insulating enamel is applied. The grounding electrode (3) is coated with a gold nanolayer on top and is located in the center of the measuring chamber (4) on the silicon crystal (2). The surface of the measuring chamber (4), in contact with the suspension of biological particles under study, with the exception of the grounding electrode (3), is covered with a nanolayer (10) of hafnium dioxide. 1 salary f-ly, 6 ill.

Description

Полезная модель относится к биосенсору для 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 utility model relates to a biosensor for indicating nano- and micron-sized fine particles (MPs) in suspension: proteins, viruses, bacteria and can be used in the field of medicine, virology, microbiology, biotechnology, toxicology, biology.

Предшествующий уровень техникиPrior Art

Современные биосенсоры, изготовленные по технологии КНИ (кремний на изоляторе) позволяют выполнять детекцию широкого спектра низко- и высокомолекулярных соединений. Основным их преимуществом является совместимость изготовления со стандартной КМОП-технологией (КМОП -комплементарных металлоксидных полупроводников). Это превращает биосенсоры в универсальную платформу для крупносерийного или даже массового производства высокочувствительных систем детекции и диагностики заболеваний.Modern biosensors manufactured using SOI (silicon on insulator) technology allow detection of a wide range of low- and high-molecular compounds. Their main advantage is their manufacturing compatibility with standard CMOS technology (CMOS complementary metal oxide semiconductors). This turns biosensors into a universal platform for large-scale or even mass production of highly sensitive disease detection and diagnostic systems.

В основе конструкции биосенсора КИИ используется полевой транзистор с изолированным затвором. Полупроводниковые приборы КНИ состоят из трехслойной подложки со структурой кремний-диэлектрик-кремний вместо обычно применяемых монолитных кремниевых пластин. Принцип действия биосенсора основан на регистрации модуляции тока, протекающего в цепи исток-сток в процессе адсорбции на поверхности затвора транзистора искомых молекул аналита (вирусов, бактерий, клеток, белков, токсинов и др.). Адсорбированная молекула на разделе фаз в системе электролит-затвор "открывает" собственные электрические заряды. Появление указанных зарядов и связанных с ними электрических полей на разделе фаз является фундаментальным феноменом. Они объединены с пространственной структурой, химическим составом, количеством вещества, а следовательно, определяют их физико-химические свойства в конкретной системе электролит-затвор (Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Электричество и магнетизм. Т. 5. М.: Мир, 1977. 300 с.). Из сказанного следует, свойства системы электролит-затвор является важным фактором в конструкции и эффективности работы биосенсора.The CII biosensor design is based on an insulated gate field-effect transistor. SOI semiconductor devices consist of a three-layer substrate with a silicon-dielectric-silicon structure instead of the commonly used monolithic silicon wafers. The operating principle of the biosensor is based on recording the modulation of the current flowing in the source-drain circuit during the process of adsorption of the desired analyte molecules (viruses, bacteria, cells, proteins, toxins, etc.) on the surface of the transistor gate. An adsorbed molecule at the phase interface in the electrolyte-gate system “opens” its own electrical charges. The appearance of these charges and associated electric fields at the phase interface is a fundamental phenomenon. They are combined with the spatial structure, chemical composition, amount of substance, and therefore determine their physicochemical properties in a particular electrolyte-gate system (Feynman R., Layton R., Sands M. Feynman lectures on physics. Electricity and magnetism. Vol. 5. M.: Mir, 1977. 300 pp.). From the above it follows that the properties of the electrolyte-gate system are an important factor in the design and efficiency of the biosensor.

В настоящее время разработка методов и систем экспресс детекции на основе КНИ биосенсоров ведется в направлении улучшении характеристик эксплуатации, простоты методических процедур, минимизации материальных и временных затрат, использование персонала среднего звена, а также доступности широкого круга пользователей. Разработчики и конструкторы исходя из опыта эксплуатации устраняют недостатки в известных биосенсорах.Currently, the development of methods and systems for express detection based on SOI biosensors is carried out in the direction of improving operating characteristics, simplicity of methodological procedures, minimizing material and time costs, the use of mid-level personnel, as well as accessibility to a wide range of users. Developers and designers, based on operating experience, eliminate shortcomings in known biosensors.

Известен высокочувствительный аналитический датчик - полевой транзистор с изолированным затвором, изготовленный по технологии кремний на изоляторе (Naumova O.V., Fomin B.I. Interface-State Density in SOI-FET Sensors // WSEAS Transaction on System and Control. - 2018. - V.13. - pp. 514-519.). Датчик используется для качественного и количественного анализа биологических и химических веществ. В этой статье (стр. 516) приведена схема поперечного сечения системы сенсор/электролит.Из этой схемы следует, что в устройстве используется специальный отдельный Pt-электрод заземления, который подключает потенциал исследуемого электролита (electrolyte) к "земле" конструктивно располагаясь "сверху" над исследуемой суспензией.A highly sensitive analytical sensor is known - a field-effect transistor with an insulated gate, made using silicon-on-insulator technology (Naumova O.V., Fomin B.I. Interface-State Density in SOI-FET Sensors // WSEAS Transaction on System and Control. - 2018. - V.13. - pp. 514-519.). The sensor is used for qualitative and quantitative analysis of biological and chemical substances. This article (page 516) shows a cross-sectional diagram of the sensor/electrolyte system. From this diagram it follows that the device uses a special separate Pt ground electrode, which connects the potential of the electrolyte under study to the “ground”, structurally located “on top” over the test suspension.

Известно применение полевого транзистора для обнаружения белка р53 (Park J., Nguyen Н.Н., Woubit A., Kim, M. Applications of field-effect transistor (FET)-type biosensors. // Applied Science and Convergence Technology. - 2014. -Vol.23, No. 2. - pp. 61-71). В этой же статье приводится принципиальная схема биочипа обнаружения. На схеме представлен заземляющий электрод RE, который выполняет аналогичную функцию отдельного Pt-электрода. Он контролирует потенциал электролита, как и в предыдущем варианте, располагаясь конструктивно "сверху".The use of a field-effect transistor (FET)-type biosensors is known (Park J., Nguyen N.N., Woubit A., Kim, M. Applications of field-effect transistor (FET)-type biosensors. // Applied Science and Convergence Technology. - 2014 -Vol.23, No. 2. - pp. 61-71). The same article provides a schematic diagram of a detection biochip. The diagram shows an RE ground electrode, which performs a similar function to a separate Pt electrode. It controls the electrolyte potential, as in the previous version, being located structurally “on top”.

Известен биосенсор, представленный в работе (Malsagova К. A., Pleshakova Т.О., Kozlov A.F., Galiullin R.A., Popov V.P., Tikhonenko F.V., Glukhov A.V., Ziborov V.S., Shumov I.D., Petrov O.F., Generalov V.M., Cheremiskina A.A. et al. Detection of influenza virus using a SOI-nanoribbon chip, based on an n-type field-effect transistor // Biosensors. - 2021. - V. 11, №4. - Paper 119). Конструкция детектора предусматривает также заземляющий электрод Pt, который контролирует потенциал электролита в измерительной ячейке и погружается в него по принципу "сверху". Схема детектора включает мешалку, электрод Pt, измерительную ячейку, чип датчика из нанопроволок на основе кремния на изоляторе, держатель чипа, держатель измерительной ячейки, перистальтический насос, контейнер для отходов, десятиканальная система сбора и хранения данных.The biosensor presented in the work is known (Malsagova K.A., Pleshakova T.O., Kozlov A.F., Galiullin R.A., Popov V.P., Tikhonenko F.V., Glukhov A.V., Ziborov V.S., Shumov I.D., Petrov O.F., Generalov V.M., Cheremiskina A.A. et al Detection of influenza virus using a SOI-nanoribbon chip, based on an n-type field-effect transistor // Biosensors. - 2021. - V. 11, No. 4. - Paper 119). The detector design also includes a Pt grounding electrode, which controls the potential of the electrolyte in the measuring cell and is immersed into it according to the “top” principle. The detector circuit includes a stirrer, a Pt electrode, a measuring cell, a silicon nanowire sensor chip on an insulator, a chip holder, a measuring cell holder, a peristaltic pump, a waste container, and a ten-channel data acquisition and storage system.

Известен биосенсор для индикации биопатогенов (патент РФ №2774307, МПК G01N 27/14; B82Y 15/00, опубл. 17.06.2022 г.). Биосенсор для индикации биопатогенов включает 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. По обе стороны нанопровода установлены пара латеральных электродов для диэлектрофоретического концентрирования вирусных частиц, расположенных с зазором относительно указанного нанопровода и с осевым смещением относительно друг друга. Электрическая схема КНИ-НП транзистора указанного биосенсора вместе с подложкой из кристалла кремния содержит индуцированный канал проводимости (подзатвор) транзистора, расположенный под нанопроводом (затвором) транзистора и заземляющий референс-электрод конструктивно расположенный "сверху" над исследуемой суспензией.A biosensor for indicating biopathogens is known (RF patent No. 2774307, IPC G01N 27/14; B82Y 15/00, published 06/17/2022). A biosensor for indicating biopathogens includes a silicon crystal in the form of a substrate on which conductive electrodes are located, representing the source and first drain of the transistor, a sensitive element, which is the first nanowire, made in a thin-film structure of silicon-on-insulator on a silicon substrate and placed between two conductive source and drain electrodes to form a transistor channel, dielectric coatings that provide insulation of the conductive electrodes. A pair of lateral electrodes are installed on both sides of the nanowire for dielectrophoretic concentration of viral particles, located with a gap relative to the specified nanowire and with an axial displacement relative to each other. The electrical circuit of the SOI-NP transistor of the specified biosensor, together with a silicon crystal substrate, contains an induced conductivity channel (gate) of the transistor located under the nanowire (gate) of the transistor and a grounding reference electrode structurally located “on top” of the suspension under study.

Однако в выше приведенных аналогах расположение заземляющих электродов RE или Pt в биочипах по принципу их расположения над поверхностью исследуемой суспензии имеет ряд недостатков:However, in the above analogues, the arrangement of RE or Pt grounding electrodes in biochips according to the principle of their location above the surface of the suspension under study has a number of disadvantages:

ручная установка электрода над поверхностью биосенсора является сложной процедурой, требующей определенных навыков и высокой квалификации со стороны оператора. Сложность определятся миллиметровыми размерами кристалла биосенсора, а также небольшим объемом исследуемой суспензии;Manual installation of an electrode over the surface of a biosensor is a complex procedure that requires certain skills and high qualifications on the part of the operator. The complexity is determined by the millimeter dimensions of the biosensor crystal, as well as the small volume of the suspension being studied;

последующее ручное введение электрода внутрь объема капли является следующей еще более сложной процедурой, требующей более высоких навыков и квалификации со стороны оператора: например, ручная установка электрода по глубине капли с объемом 2 мкм3 исследуемой суспензии может приводить к неконтролируемому механическому контакту электрода с поверхностью биосенсора, появлению царапин и, как следствие, полному или частичному выходу биосенсора из строя;subsequent manual insertion of the electrode into the volume of the drop is the next even more complex procedure, requiring higher skills and qualifications on the part of the operator: for example, manual installation of the electrode along the depth of the drop with a volume of 2 μm 3 of the test suspension can lead to uncontrolled mechanical contact of the electrode with the surface of the biosensor, the appearance of scratches and, as a result, complete or partial failure of the biosensor;

применение дополнительного автоматизированного устройства для позиционного раскапывания исследуемой суспензии на поверхность биосенсора приведет к значительному удорожанию и усложнению устройства детекции.the use of an additional automated device for positional dropping of the test suspension onto the surface of the biosensor will lead to a significant increase in cost and complexity of the detection device.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является биосенсор для индикации биологических частиц (патент РФ на полезную модель №215954, МПК G01N 27/414, опубл. 11.01.2023 г.). Биосенсор включает корпус и расположенный в нем кристалл кремния в виде подложки, на котором расположены десять транзисторов, их проводящие электроды, истоки стоки, чувствительные элементы (затворы), представляющие собой нанопроводы, выполненные в тонкопленочной структуре кремний-на-изоляторе и размещенные между двумя проводящими истоком и стоком каждого транзистора. На кристалле кремния расположены две площадки электродов заземления, имеющие участки без изоляции для обеспечения возможности электрического контакта снизу с исследуемым образцом суспензии жидкости. Габаритные размеры кристалла составляют 6×6 мм.The closest analogue (prototype) is a biosensor for indicating biological particles (RF patent for utility model No. 215954, IPC G01N 27/414, published 01/11/2023). The biosensor includes a housing and a silicon crystal located in it in the form of a substrate, on which ten transistors, their conducting electrodes, sources and drains, and sensitive elements (gates) are located, which are nanowires made in a thin-film silicon-on-insulator structure and placed between two conducting source and drain of each transistor. There are two grounding electrode pads on the silicon crystal, which have areas without insulation to ensure electrical contact from below with the liquid suspension sample under study. The overall dimensions of the crystal are 6×6 mm.

Однако и такой биосенсор недостаточно прост и надежен в эксплуатации. Одним из основных недостатков прототипа являются два алюминиевых электрода заземления. Алюминий является амфотерным металлом и может взаимодействовать как с кислотами, так и с основаниями в зависимости от природы реагентов. При нормальных условиях он покрыт оксидной пленкой Al2O3, которая является диэлектриком и препятствует проводимости электрического тока. Наличие двух электродов увеличивает размер измерительной камеры, объем исследуемой пробы. Десять транзисторов с учетом коэффициента диффузии вирусных частиц предусматривают необходимое время их детекции в течение 3-5 минут. За это время исследуемая жидкая суспензия за счет естественного испарения может значительно изменять свой объем, что приведет к погрешностям измерения.However, such a biosensor is not simple and reliable enough to operate. One of the main drawbacks of the prototype is the two aluminum ground electrodes. Aluminum is an amphoteric metal and can react with both acids and bases, depending on the nature of the reagents. Under normal conditions, it is covered with an oxide film of Al 2 O 3 , which is a dielectric and prevents the conduction of electric current. The presence of two electrodes increases the size of the measuring chamber and the volume of the test sample. Ten transistors, taking into account the diffusion coefficient of viral particles, provide the required detection time of 3-5 minutes. During this time, the liquid suspension under study can significantly change its volume due to natural evaporation, which will lead to measurement errors.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности работы биосенсора и упрощение его эксплуатации.The technical result of the claimed utility model is to increase the reliability of the biosensor and simplify its operation.

Указанный технический результат достигается тем, что биосенсор для индикации биологических частиц, включающий корпус и установленный в нем кристалл кремния с расположенными на нем электродом заземления для обеспечения электрического контакта снизу с исследуемой суспензией биологических частиц, транзисторами, над которыми образована измерительная камера для исследования суспензии биологических частиц, и которые содержат, стоки и истоки, между которыми расположены чувствительные элементы, выполненные в виде нанопроволок соответственно, согласно полезной модели, измерительная камера выполнена чашеобразной и осесимметричной, на наклонные боковые края которой и в зазор между корпусом и кристаллом кремния нанесен слой электроизоляционной эмали, электрод заземления сверху покрыт нанослоем золота и расположен в центре измерительной камеры на кристалле кремния, причем поверхность измерительной камеры, контактирующая с исследуемой суспензией биологических частиц, за исключением электрода заземления, покрыта нанослоем диоксида гафния. В качестве электроизоляционной эмали используют эмаль ЭП-91.The specified technical result is achieved by the fact that a biosensor for indicating biological particles, including a housing and a silicon crystal installed in it with a grounding electrode located on it to ensure electrical contact from below with the suspension of biological particles under study, transistors, above which a measuring chamber is formed for studying the suspension of biological particles , and which contain drains and sources, between which there are sensitive elements made in the form of nanowires, respectively, according to the utility model, the measuring chamber is cup-shaped and axisymmetric, on the inclined side edges of which and in the gap between the body and the silicon crystal a layer of electrical insulating enamel is applied, the grounding electrode is coated on top with a nanolayer of gold and is located in the center of the measuring chamber on a silicon crystal, and the surface of the measuring chamber in contact with the suspension of biological particles under study, with the exception of the grounding electrode, is covered with a nanolayer of hafnium dioxide. EP-91 enamel is used as electrical insulating enamel.

Форма измерительной камеры обеспечивает естественное скатывание исследуемой суспензии в геометрический центр поверхности кристалла над золотым электродом и установление ее в стандартное положение для выполнения процедуры измерения. Чашеобразная форма измерительной камеры также сокращает и упрощает подготовку пробы к исследованию. Электроизоляционная эмаль ЭП-91 обеспечивает надежную гидроизоляцию покрытий боковых стенок измерительной камеры, пространства между кристаллом и корпусом. Использование оксида гафния, обеспечивает повышение чувствительности биосенсоров за счет относительной высокой диэлектрической проницаемости и термодинамической стабильности. Величина диэлектрической проницаемости оксида гафния ε~16-40 против 3,9-4,5 для диоксида кремния. Адсорбция искомого комплекса антитело+антиген (АТ+АГ) в исследуемой суспензии с распределенным в ее объеме электрическими зарядами формирует поляризацию и перераспределение зарядов на разделе фаз «поверхность нанопроволоки - исследуемая жидкость», а также в области под нанопроволокой. Если поляризация (Р) в объеме неоднородна, то ее дивергенция определяет в материале результирующую плотность всех зарядов в которую входят, появляющиеся как за счет неоднородной поляризации, так и за счет плотности свободных зарядов. Вновь сформированные свободные заряды, распределенные некоторым образом в пространстве полупроводника, являются составной частью на участке цепи исток-сток биосенсора (Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Электричество и магнетизм. Т. 5. М.: Мир, 1977. 300 с, Голосов Д.А., Завадский С.М., Мельников С.Н., Вилья Н. Диэлектрические характеристики пленок оксида гафния. Российские нанотехнологии. 2017; 12: 63-68.).The shape of the measuring chamber ensures natural rolling of the test suspension into the geometric center of the crystal surface above the gold electrode and its installation in a standard position for performing the measurement procedure. The cup-shaped shape of the measuring chamber also reduces and simplifies sample preparation for testing. Electrical insulating enamel EP-91 provides reliable waterproofing of the coatings on the side walls of the measuring chamber and the space between the crystal and the housing. The use of hafnium oxide increases the sensitivity of biosensors due to the relative high dielectric constant and thermodynamic stability. The dielectric constant of hafnium oxide is ε~16-40 versus 3.9-4.5 for silicon dioxide. Adsorption of the desired antibody+antigen complex (AT+AG) in the suspension under study with electrical charges distributed in its volume forms polarization and redistribution of charges at the phase section “nanowire surface - test liquid”, as well as in the area under the nanowire. If the polarization (P) in the volume is non-uniform, then its divergence determines the resulting density of all charges in the material which includes those appearing both due to inhomogeneous polarization and due to the density of free charges. Newly formed free charges, distributed in some way in the space of the semiconductor, are an integral part in the source-drain circuit section of the biosensor (Feynman R., Layton R., Sands M. Feynman lectures on physics. Electricity and magnetism. T. 5. M.: Mir, 1977. 300 p., Golosov D.A., Zavadsky S.M., Melnikov S.N., Villa N. Dielectric characteristics of hafnium oxide films. Russian Nanotechnologies. 2017; 12: 63-68.).

Полезная модель иллюстрируется следующими графическими материалами. На фиг. 1 представлен внешний вид биосенсора, вид сверху. На фиг. 2 приведено поперечное сечение биосенсора по линии А-А. На фиг. 3 указана электрическая принципиальна схема подключение биосенсора. На фиг. 4 представлены данные взаимодействия антитела с фрагментами вирусных белков WEF1 и р24 проверенное методом иммуноферментного анализа. На фиг. 5 приведены вольтамперные характеристики биосенсора №1 (а) и биосенсора №2 (б) до и после иммобилизации антител. На фиг. 6 представлена временная зависимость тока биосенсора, в процессе детекции рекомбинантного фрагмента оболочечного белка вируса Западного Нила (WEF1).The utility model is illustrated by the following graphic materials. In fig. Figure 1 shows the appearance of the biosensor, top view. In fig. Figure 2 shows a cross section of the biosensor along line AA. In fig. Figure 3 shows the electrical circuit diagram for connecting the biosensor. In fig. Figure 4 presents data on the interaction of the antibody with fragments of the viral proteins WEF1 and p24, verified by enzyme immunoassay. In fig. Figure 5 shows the current-voltage characteristics of biosensor No. 1 (a) and biosensor No. 2 (b) before and after immobilization of antibodies. In fig. Figure 6 shows the time dependence of the biosensor current during the detection of a recombinant fragment of the West Nile virus envelope protein (WEF1).

Биосенсор для индикации биологических частиц (фиг. 1) включает корпус (1) и установленный в нем кристалл (2) кремния с расположенными на нем электродом (3) заземления для обеспечения электрического контакта снизу с исследуемой суспензией биологических частиц и транзисторами (20 штук), над которыми образована измерительная камера (4) для исследования суспензии биологических частиц. Транзисторы содержат (фиг. 2) стоки (5, 6) и истоки (7, 8), между которыми расположены чувствительные элементы, выполненные в виде нанопроволок (9, 10) соответственно. Измерительная камера (4) выполнена чашеобразной и осесимметричной, на наклонные боковые края которой и в зазор между корпусом (1) и кристаллом (2) кремния нанесен слой (11) электроизоляционной эмали. В качестве электроизоляционной эмали используют эмаль ЭП-91. Электрод заземления (3) сверху покрыт нанослоем золота и расположен в центре измерительной камеры (4) на кристалле (2) кремния. Поверхность измерительной камеры (4), контактирующая с исследуемой суспензией биологических частиц, за исключением электрода заземления (3), покрыта нанослоем (12) диоксида гафния. Снизу кристалла (2) кремния установлен электрод (13) подзатвора. Сверху на кристалле (2) имеются индуцированные каналы (14, 15) проводимости первого, второго и всех остальных транзисторов. Под транзисторами находится слой (16) скрытого диэлектрика. Исследуемая суспензия содержит биологические частицы (17).The biosensor for indicating biological particles (Fig. 1) includes a housing (1) and a silicon crystal (2) installed in it with a grounding electrode (3) located on it to ensure electrical contact from below with the suspension of biological particles under study and transistors (20 pieces), above which a measuring chamber (4) is formed to study a suspension of biological particles. The transistors contain (Fig. 2) drains (5, 6) and sources (7, 8), between which there are sensitive elements made in the form of nanowires (9, 10), respectively. The measuring chamber (4) is cup-shaped and axisymmetric, on the inclined side edges of which and in the gap between the body (1) and the silicon crystal (2) a layer (11) of electrical insulating enamel is applied. EP-91 enamel is used as electrical insulating enamel. The grounding electrode (3) is coated with a gold nanolayer on top and is located in the center of the measuring chamber (4) on the silicon crystal (2). The surface of the measuring chamber (4), in contact with the suspension of biological particles under study, with the exception of the grounding electrode (3), is covered with a nanolayer (12) of hafnium dioxide. A gate electrode (13) is installed at the bottom of the silicon crystal (2). On top of the crystal (2) there are induced conduction channels (14, 15) of the first, second and all other transistors. Under the transistors there is a layer (16) of hidden dielectric. The suspension under study contains biological particles (17).

Электрическая принципиальна схема подключение биосенсора (18) (фиг. 3) содержит источник (19) питания U=0,15B, подключенный отрицательней клеммой к "земле", которая имеет электрический контакт с истоками (7, 8) всех двадцати транзисторов. Положительная клемма источника (19) питания подключается к стокам (5, 6) транзисторов индивидуально, через микроамперметр (20). Микроамперметр (20) осуществляет регистрацию тока транзисторов в процессе детекции биочастиц (17). Включение и выключение микроамперметра (20) в активном режиме измерения осуществляется программным способом. Источник (21) питания (U=0-30 В) соединен с подзатвором (13) биосенсора (18).The electrical circuit diagram for connecting the biosensor (18) (Fig. 3) contains a power supply (19) U=0.15V, connected by the negative terminal to the “ground”, which has electrical contact with the sources (7, 8) of all twenty transistors. The positive terminal of the power source (19) is connected to the drains (5, 6) of the transistors individually, through a microammeter (20). The microammeter (20) registers the transistor current during the detection of bioparticles (17). Switching on and off the microammeter (20) in the active measurement mode is carried out by software. The power source (21) (U=0-30 V) is connected to the gate (13) of the biosensor (18).

Измерительная камера (4) с наклонными боковыми краями покрытыми эмалью и электрод (3) заземления покрытый нанопленкой из золота позволяют:The measuring chamber (4) with inclined side edges coated with enamel and the grounding electrode (3) coated with gold nanofilm allow:

снизить время приведения биосенсора в рабочее состояние;reduce the time it takes to bring the biosensor into working condition;

быстро обеспечить надежный электрический контакт с исследуемой суспензией с биообъектами (17) и установить биосенсор (18) в рабочее положение для выполнения измерений величины тока стоков для детекции детекции.quickly ensure reliable electrical contact with the suspension under study with biological objects (17) and install the biosensor (18) in the working position to measure the value of the waste current for detection detection.

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

На подзатвор (13) биосенсора (18) подают напряжение в интервале U=0-30 В (фиг. 3). Напряжение устанавливается таким, чтобы начальный ток Ids коллектора транзистора в режиме холостого хода составлял примерно 10-6 А. Ток коллектора измеряет микроамперметр (20). Начальный Ids ток коллектора транзистора устанавливают при полном отсутствии исследуемой суспензии с биочастицами (17). Далее в измерительную камеру (4) на поверхность массива транзисторов вносится исследуемая суспензия с антителами объемом (0,5) мкл, которая накрывает нанопроволоки (9, 10). Ток транзистора после некоторого времени (примерно 30-60 секунд) приходит в состояние покоя. Этот уровень принимается как уровень начального отсчета. Все дальнейшие измерения величины Ids тока транзистора производятся относительно него. Далее вносится исследуемая суспензия с биообъектами (17) объемом 0,5 мкл., которая содержит вирусные частицы (биочастицы, антиген). Если антитела являются специфическими по отношению к внесенным вирусным частицам (антигену), то между ними образуются устойчивые комплексы антитело+антиген. Указанные комплексы на разделе фаз исследуемая суспензия-поверхность нанопроволоки (9, 10) образуют индуцированный электрический заряд, который модулирует проводимость индуцированного канала (14, 15) и, как следствие, изменяется токи стоков (5, 6) всех транзисторов. 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 (14, 15) и величину тока транзистора. Данная реакция определяется хорошо известными свойствами 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).The gate (13) of the biosensor (18) is supplied with a voltage in the range U=0-30 V (Fig. 3). The voltage is set so that the initial collector current Ids of the transistor in idle mode is approximately 10 -6 A. The collector current is measured by a microammeter (20). The initial Ids transistor collector current is set in the complete absence of the test suspension with bioparticles (17). Next, the test suspension with antibodies with a volume of (0.5) μl is introduced into the measuring chamber (4) onto the surface of the transistor array, which covers the nanowires (9, 10). After some time (about 30-60 seconds), the transistor current comes to a resting state. This level is taken as the initial reference level. All further measurements of the Ids value of the transistor current are made relative to it. Next, the test suspension with biological objects (17) with a volume of 0.5 μl is added, which contains viral particles (bioparticles, antigen). If antibodies are specific to the introduced viral particles (antigen), then stable antibody+antigen complexes are formed between them. These complexes at the phase interface between the suspension under study and the nanowire surface (9, 10) form an induced electric charge, which modulates the conductivity of the induced channel (14, 15) and, as a consequence, the drain currents (5, 6) of all transistors change. The total electrical 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 (14, 15) and the magnitude of the transistor current. This reaction is determined by the well-known properties of the 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 pp.). Similarly, the negative charge of the complexes reduces the magnitude and amplitude of the transistor (biosensor) current.

Пример. Экспериментальное тестирование работы биосенсораExample. Experimental testing of biosensor operation

Тестирование заявляемой конструкции биосенсора с улучшенными эксплуатационными характеристиками осуществлялась на примере детекции рекомбинантного фрагмента оболочечного белка вируса Западного Нила (WEF1) (Shanshin D.V., Borisevich S.S., Bondar А.А., Porozov Y.B., Rukhlova E.A., Protopopova E.V., Ushkalenko N.D, Loktev V.L., Chapoval A.I., Ilyichev А.А., Shcherbakov D.N. Can Modern Molecular Modeling Methods Help Find the Area of Potential Vulnerability of Flaviviruses. International journal of molecular sciences. - 2022. - 23(14). - 7721) Материалы:Testing of the proposed biosensor design with improved performance characteristics was carried out using the example of detection of a recombinant fragment of the West Nile virus envelope protein (WEF1) (Shanshin D.V., Borisevich S.S., Bondar A.A., Porozov Y.B., Rukhlova E.A., Protopopova E.V., Ushkalenko N.D., Loktev V.L., Chapoval A.I., Ilyichev A.A., Shcherbakov D.N. Can Modern Molecular Modeling Methods Help Find the Area of Potential Vulnerability of Flaviviruses. International journal of molecular sciences. - 2022. - 23(14). - 7721) Materials:

биосенсор №1 и №2 заявляемой конструкции имеющих близкие параметры, вольтамперные характеристики (ВАХ);biosensor No. 1 and No. 2 of the claimed design having similar parameters and current-voltage characteristics (CV characteristics);

24-канальный, ±24 В, 50 мА прецизионный измерительный блок PXIe 4163 Относительная погрешность измерения напряжения 0,05%+5 mV и тока 0,10%+500 nA (National Instruments, США) [17];24-channel, ±24 V, 50 mA precision measuring unit PXIe 4163 Relative measurement error of voltage 0.05% + 5 mV and current 0.10% + 500 nA (National Instruments, USA) [17];

антитела (AT) - моноклональные антитела специфичные к вирусам семейства Flaviviridae, концентрация 1,7 мг/мл (ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора) [19];antibodies (AT) - monoclonal antibodies specific to viruses of the Flaviviridae family, concentration 1.7 mg/ml (State Research Center for Virus and Virus "Vector" of Rospotrebnadzor) [19];

антиген (АГ1) - рекомбинантный фрагмент обол очечного белка (Е) вируса лихорадки Западного Нила (WEF1) семейства Flaviviridae, концентрация 89 мкг/мл (ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора);antigen (AG1) - a recombinant fragment of the ophthalmic protein (E) of the West Nile fever virus (WEF1) of the Flaviviridae family, concentration 89 μg/ml (FBUN State Research Center for Virus and Virus "Vector" of Rospotrebnadzor);

антиген (АГ2) - рекомбинантный белок р24 вируса иммунодефицита человека, неспецифичный к использующимся моноклональным антителам, концентрация 0,625 мг/мл (ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора);antigen (AG2) - recombinant protein p24 of the human immunodeficiency virus, nonspecific to the monoclonal antibodies used, concentration 0.625 mg/ml (FBUN State Research Center for Virus Virus "Vector" of Rospotrebnadzor);

(3-аминопропил) триэтоксисилан (АПТЕС) (Sigma Aldrich, США);(3-aminopropyl) triethoxysilane (APTES) (Sigma Aldrich, USA);

3,3'-дитио [сульфосук-цинимидилпропионат] (ДТССП) (Sigma Aldrich, США);3,3'-dithio [sulfosuccinimidyl propionate] (DSSP) (Sigma Aldrich, USA);

перекись водорода (Н2О2) (Sigma Aldrich, США);hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) (Sigma Aldrich, USA);

96% этанол (С2Н5ОН) (Реахим, Россия);96% ethanol (C 2 H 5 OH) (Reakhim, Russia);

фосфатно-солевой буфер (ФСБ) (Росмедбио, Россия);phosphate-buffered saline (PSB) (Rosmedbio, Russia);

дистиллированная вода (ДВ).distilled water (DV).

Контрольное тестирование специфического (АП+АТ) и неспецифического (АГ2+АТ) взаимодействие выполняли с помощью твердофазного иммуноферментного анализа.Control testing of specific (AP+AT) and nonspecific (AG2+AT) interaction was performed using an enzyme-linked immunosorbent assay.

Анализ выполняли, используя следующие материалы:The analysis was performed using the following materials:

Антитела (AT) - моноклональные антитела специфичные к вирусам семейства Flaviviridae, концентрация 1,7 мг/мл (ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора) [19];Antibodies (AT) - monoclonal antibodies specific to viruses of the Flaviviridae family, concentration 1.7 mg/ml (FBUN State Research Center for Virus and Virus "Vector" of Rospotrebnadzor) [19];

Антиген (ATI) - рекомбинантный фрагмент оболочечного белка (Е) вируса лихорадки Западного Нила (WEF1) семейства Flaviviridae, концентрация 0,089 мг/мл (ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора);Antigen (ATI) - a recombinant fragment of the envelope protein (E) of the West Nile fever virus (WEF1) of the Flaviviridae family, concentration 0.089 mg/ml (FBUN SSC VB "Vector" of Rospotrebnadzor);

Антиген (АГ2) - рекомбинантный белок р24 вируса иммунодефицита человека, неспецифичный к использующимся моноклональным антителам, концентрация 0,625 мг/мл (ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора;Antigen (AG2) - recombinant protein p24 of the human immunodeficiency virus, nonspecific to the monoclonal antibodies used, concentration 0.625 mg/ml (FBUN State Research Center for Virus Virus "Vector" of Rospotrebnadzor;

Фосфатно-солевой буфер (PBS) (Росмедбио, Россия);Phosphate-buffered saline (PBS) (Rosmedbio, Russia);

TWEEN-20 - полиэтиленгликольсорбитанмонолаурат (С58Н114О26) (Sigma Aldrich, США);TWEEN-20 - polyethylene glycol sorbitan monolaurate (C58H114O26) (Sigma Aldrich, USA);

Козьи анти-мышиные антитела IgG (Invitrogen, США);Goat anti-mouse IgG antibodies (Invitrogen, USA);

Субстратом на основе 3,3',5,5'-тетраметилбензидин (Thermo Scientific, США).Substrate based on 3,3',5,5'-tetramethylbenzidine (Thermo Scientific, USA).

Методика:Methodology:

В лунках полистирольного планшета сорбировали 100 мкл антигена в рабочем в буфере TBS (0,15 М NaCl; 0,02 М Tris-HCl, рН=7,4) при 4°С в течение 16-20 ч. Не адсорбированные белки удаляли путем промывания в PBS, содержащий 0,1% TWEEN-20 (PBS-T). Места неспецифического связывания блокировали 1%-ым раствором казеина в PBS-T в течение 1 ч при Т=37°С.Далее добавляли антитела в нескольких разведениях и оставляли на 1 ч при Т=37°С.Не связавшиеся антитела удаляли 3-х кратным промыванием буфера PBS-T. После в лунки вносили 0,5 мкг/мл козьи анти-мышиные антитела IgG и инкубировали 1 ч при Т=37°С и промывали PBS-T. Проявление иммунной реакции осуществляли жидким субстратом на основе 3,3',5,5'-тетраметилбензидин. Останавливали реакцию добавлением 1 N НС1. Оптическую плотность (ОП) раствора в лунке определяли на мультимодальном ридере Thermo Scientific Varioskan LUX (Thermo Scientific, США) при длине волны X=450 нм.In the wells of a polystyrene plate, 100 μl of antigen was adsorbed in working buffer TBS (0.15 M NaCl; 0.02 M Tris-HCl, pH = 7.4) at 4°C for 16-20 hours. Unadsorbed proteins were removed by washes in PBS containing 0.1% TWEEN-20 (PBS-T). Sites of nonspecific binding were blocked with a 1% solution of casein in PBS-T for 1 hour at T=37°C. Next, antibodies were added in several dilutions and left for 1 hour at T=37°C. Unbound antibodies were removed 3 times washing with PBS-T buffer twice. Then 0.5 μg/ml goat anti-mouse IgG antibodies were added to the wells and incubated for 1 hour at T=37°C and washed with PBS-T. The manifestation of the immune reaction was carried out with a liquid substrate based on 3,3',5,5'-tetramethylbenzidine. The reaction was stopped by adding 1 N HC1. The optical density (OD) of the solution in the well was determined on a Thermo Scientific Varioskan LUX multimodal reader (Thermo Scientific, USA) at a wavelength X = 450 nm.

Методика проведения ИФА представлена в [19].The ELISA technique is presented in [19].

Результатыresults

На фиг. 4. Представлено взаимодействие антитела с фрагментами вирусных белков WEF1 и р24 проверенное методом иммуноферментного анализа (ИФА). По результатам анализа видно, что антитела хорошо взаимодействуют с рекомбинантным белком WEF1 при различных разведениях. Как ожидалось, не наблюдается изменение оптической плотности при использовании р24 в качестве антигена, что показывает отсутствие связывания между рекомбинантным белком и антителами. Ход экспериментаIn fig. 4. The interaction of the antibody with fragments of the viral proteins WEF1 and p24, verified by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), is presented. The results of the analysis show that the antibodies interact well with the recombinant WEF1 protein at various dilutions. As expected, no change in optical density was observed when p24 was used as the antigen, indicating that there was no binding between the recombinant protein and the antibodies. Progress of the experiment

Биосенсор №1 использовался для детектирования сигнала специфического связывания моноклональных антител, специфичных к вирусам семейства Flaviviridae, и рекомбинантный фрагмент оболочечного белка (Е) вируса лихорадки Западного Нила (WEF1) семейства Flaviviridae (AT и АГ1 соответственно).Biosensor No. 1 was used to detect the specific binding signal of monoclonal antibodies specific to viruses of the Flaviviridae family and a recombinant fragment of the envelope protein (E) of the West Nile fever virus (WEF1) of the Flaviviridae family (AT and AG1, respectively).

Биосенсор №2 использовался для детектирования неспецифического взаимодействия моноклональных антител, специфичных к вирусам семейства Flaviviridae, и рекомбинантный белок р24 вируса иммунодефицита человека (AT и АГ2 соответственно).Biosensor No. 2 was used to detect the nonspecific interaction of monoclonal antibodies specific to viruses of the Flaviviridae family and the recombinant protein p24 of the human immunodeficiency virus (AT and AG2, respectively).

Поверхности биосенсоров №1 и №2 промывали от посторонних загрязнений с помощью 10% раствора Н2О2 при комнатной температуре в течение 10 минут. После очистки их поверхности промывали дистиллированной водой (ДВ) 3 раза. Далее осуществляли иммобилизацию AT на поверхность обоих биосенсоров методом ковалентного связывания. На первой стадии выполняли модификацию поверхности кристалла 10% раствором АПТЭС в этаноле в течение 30 минут при комнатной температуре. По истечению времени избыток АПТЭС удаляли путем промывания этанолом.The surfaces of biosensors No. 1 and No. 2 were washed from foreign contaminants using a 10% H 2 O 2 solution at room temperature for 10 minutes. After cleaning, their surfaces were washed with distilled water (DV) 3 times. Next, AT was immobilized on the surface of both biosensors by covalent binding. At the first stage, the crystal surface was modified with a 10% solution of APTES in ethanol for 30 minutes at room temperature. After time, excess APTES was removed by washing with ethanol.

Поверхностные аминогруппы АПТЭС активировали 0,1 мМ ДТССП в 10 мМ фосфатно-солевом буфере (ФСБ) в течение 10 минут. Далее наносили 10 мкл AT, специфичных к АГ1. Через 90 минут поверхность биосенсора №1 и №2 промывали ДВ и удаляли не связавшиеся антитела. После завершения процесса иммобилизации измеряли В АХ биосенсоров №1 и №2, фиг. 4 - вольтамперные характеристики биосенсора №1 (а) и биосенсора №2 (б) до и после иммобилизации антител.The surface amino groups of APTES were activated with 0.1 mM DTSSP in 10 mM phosphate-buffered saline (PBS) for 10 minutes. Next, 10 μl of AT specific for AG1 was applied. After 90 minutes, the surface of biosensor No. 1 and No. 2 was washed with DV and unbound antibodies were removed. After completion of the immobilization process, BAC of biosensors No. 1 and No. 2 was measured, Fig. 4 - current-voltage characteristics of biosensor No. 1 (a) and biosensor No. 2 (b) before and after immobilization of antibodies.

В АХ измеряли как функцию тока стока (7, 16) транзисторов /dsUbg) от напряжения на электроде (2) подзатвора Ubg для всех транзисторов одного кристалла. Напряжение на подзатворе изменяли в диапазоне Ubg=0-30 В. Как видно из фиг. 5, после иммобилизации антител (кривая №2) величина тока Ids имеет меньшее значение, чем до иммобилизации антител (кривая №1). Это свидетельствует о том, что антитела находятся на поверхности биосенсора. В АХ (кривая №1) позволила выбрать рабочую точку (значения напряжения, подаваемого на подзатвор Ubg). Для обоих биосенсоров Ubg=3 В.The AX was measured as a function of the drain current (7, 16) of the transistors /dsUb g ) from the voltage at the gate electrode (2) Ub g for all transistors of one crystal. The gate voltage was varied in the range Ub g =0-30 V. As can be seen from Fig. 5, after immobilization of antibodies (curve No. 2), the magnitude of the current Ids is less than before immobilization of antibodies (curve No. 1). This indicates that the antibodies are on the surface of the biosensor. In AX (curve No. 1) made it possible to select the operating point (voltage values supplied to the gate Ub g ). For both biosensors Ub g =3 V.

После завершения процедуры иммобилизации биосенсоры №1 и №2 готовы к проведению целевых экспериментов по детекции вирусных белков.After completion of the immobilization procedure, biosensors No. 1 and No. 2 are ready to conduct targeted experiments for the detection of viral proteins.

Непосредственно перед проведением целевых экспериментов готовили серию разведений суспензий, содержащих антигены, в ДВ: АГ1 - 10 пг/мкл, 100 пг/мкл и АГ2 - 10 пг/мкл. Детекцию АГ1 и АГ2 выполняли по следующим схемам.Immediately before conducting target experiments, a series of dilutions of suspensions containing antigens were prepared in DV: AG1 - 10 pg/μl, 100 pg/μl and AG2 - 10 pg/μl. Detection of AG1 and AG2 was performed according to the following schemes.

Биосенсор №1. Детекция специфического сигнала биосенсора в процессе взаимодействия AT и АГ1.Biosensor No. 1. Detection of a specific biosensor signal during the interaction of AT and AG1.

На поверхность биосенсора №1 вносили 5 мкл ДВ и измеряли начальную величину Ids тока стока с целью подтверждения работоспособности биосенсора.5 μl of DV was added to the surface of biosensor No. 1 and the initial value of Ids of the drain current was measured to confirm the functionality of the biosensor.

После стабилизации тока с поверхности биосенсора №1 удаляли ДВ и высушивали. На подготовленную и сухую поверхность биосенсора №1 микропипеткой помещали на 5 мкл суспензии АГ1 с концентрацией 100 пг/мкл.After the current stabilized, the active substance was removed from the surface of biosensor No. 1 and dried. On the prepared and dry surface of biosensor No. 1, a micropipette was used to place 5 μl of an AG1 suspension with a concentration of 100 pg/μl.

Временная зависимость тока Ids биосенсора №1, представлен на фиг. 6 -временная зависимость тока биосенсора, в процессе детекции рекомбинантного фрагмента оболочечного белка вируса Западного Нила (WEF1) (оранжевая линия, специфика, биосенсор №1) и рекомбинантного белка р24 ВИЧ (черная линия, не специфика, биосенсор №2) в различных концентрациях: WEF1 - внесение на поверхность биосенсора белка с концентрациями 10 пг/мкл, 100 пг/мкл; р24 - внесение на поверхность биосенсора белка с концентрациями 1 пг/мкл, 10 пг/мкл, НгО - внесение дистиллированной воды. Каждый отсчет на графике - усреднение по 20 транзисторамThe time dependence of the current Ids of biosensor No. 1 is shown in Fig. 6 - time dependence of the biosensor current during the detection of a recombinant fragment of the West Nile virus envelope protein (WEF1) (orange line, specific, biosensor No. 1) and recombinant HIV p24 protein (black line, non-specific, biosensor No. 2) in various concentrations: WEF1 - adding protein to the surface of the biosensor with concentrations of 10 pg/μl, 100 pg/μl; p24 - adding protein to the surface of the biosensor with concentrations of 1 pg/μl, 10 pg/μl, HgO - adding distilled water. Each count on the graph is an average of 20 transistors

Как видно из представленных результатов на фиг. 6, первое внесение антигена - оболочечного белка вируса Западного Нила (WEF1) (t~100 с) с концентрацией 100 пг/мкл приводит к резкому увеличению величины тока стока от Ids~0,97 А до -1,06 А, (оранжевая линия). Далее наблюдается плавное падение величины тока до исходного IdS~0,97 А в интервале времени (t~100-450) с. Такое поведение связано с наблюдаемой реакцией специфического взаимодействием АТ+АГ1. Образованные комплексы АТ+АГТ обладают отрицательным эффективным электрическим зарядом на разделе фаз поверхности кристалла и исследуемой пробы. Отрицательный заряд на затворе биосенсора уменьшает величину тока Ids в цепи исток-сток. Плавное изменение и шероховатость линии тока Ids отражает динамику взаимодействия AT и ATI между собой на поверхности затвора. После промывания поверхности биосенсора ДВ (t~500 с), наблюдается некоторое уменьшение тока, которое объясняется удалением незначительной части АГ1 и разрушению части комплексов АТ+АГ1 на поверхности биосенсора. Следующее внесение (t~550 с) рекомбинантного белка WEF1 с концентрацией 10 пг также приводит к скачкообразному увеличению тока Ids. Однако, дальнейшего его уменьшения не наблюдается. Это связано с тем, что комплексы АТ+АГ1 с отрицательным зарядом на поверхности затвора уже не формируются.As can be seen from the results presented in Fig. 6, the first introduction of the antigen - the envelope protein of the West Nile virus (WEF1) (t ~ 100 s) with a concentration of 100 pg/μl leads to a sharp increase in the drain current from Ids ~ 0.97 A to -1.06 A, (orange line ). Next, a smooth drop in the current value is observed to the initial Id S ~0.97 A in the time interval (t~100-450) s. This behavior is associated with the observed reaction of the specific interaction of AT + AG1. The formed AT+AGT complexes have a negative effective electric charge at the phase interface of the crystal surface and the test sample. A negative charge on the biosensor gate reduces the current Ids in the source-drain circuit. The smooth change and roughness of the Ids current line reflects the dynamics of the interaction of AT and ATI with each other on the gate surface. After washing the surface of the biosensor with DV (t~500 s), a slight decrease in the current is observed, which is explained by the removal of a small part of AG1 and the destruction of part of the AT + AG1 complexes on the surface of the biosensor. The next addition (t~550 s) of recombinant WEF1 protein with a concentration of 10 pg also leads to a sudden increase in the current Ids. However, no further decrease is observed. This is due to the fact that AT+AG1 complexes with a negative charge on the gate surface are no longer formed.

Вывод - происходит специфическое связывание АТ+АГ2. Биосенсор №2. Детекция неспецифического сигнала биосенсора в процессе взаимодействия AT и АГ2.Conclusion - specific binding of AT+AG2 occurs. Biosensor No. 2. Detection of a nonspecific biosensor signal during the interaction of AT and AG2.

На поверхность биосенсора №2 вносили 5 мкл ДВ и измеряли начальную величину Ids тока стока с целью подтверждения работоспособности биосенсора. После стабилизации тока с поверхности биосенсоров №1 удаляли ДВ и высушивали. На подготовленную и сухую поверхность биосенсора №2 микропипеткой помещали на 5 мкл суспензии АГ2 с концентрацией 1 пг/мкл.5 μl of DV was added to the surface of biosensor No. 2 and the initial value of Ids of the drain current was measured to confirm the functionality of the biosensor. After the current stabilized, the active substance was removed from the surface of biosensors No. 1 and dried. On the prepared and dry surface of biosensor No. 2, a micropipette was used to place 5 μl of an AG2 suspension with a concentration of 1 pg/μl.

Временная зависимость тока Ids биосенсора №2, представлен на фиг. 5. черная линия.The time dependence of the current Ids of biosensor No. 2 is shown in Fig. 5. black line.

Как видно из представленных результатов на фиг. 6, первое внесение АГ2 с концентрацией 1 пг/мкл. (t~140 с) практически не приводит к увеличению величины тока стока. Он остается стабильным на уровне IdS~0,92 А (черная линия). В интервале (t~360-420 с) поверхность биосенсора №2 промывали ДВ. Следующее внесение (t~550 с) суспензии АГ2 с концентрацией 10 пг/мкл приводит к скачкообразному увеличению тока Ids. Однако, дальнейшего его уменьшения не наблюдается. Отмечается стабилизация величины тока на уровне IdS~0,95 А. Характерного незначительного изменения тока не наблюдается. Наблюдается процесс динамического равновесия взаимодействия АГ2 с поверхностью затвора. Влияние АГ2 на величину тока биосенсора №2 ограничено их удаленным положением относительно поверхности в состоянии равновесия. Препятствуют AT.As can be seen from the results presented in Fig. 6, first application of AG2 with a concentration of 1 pg/μl. (t~140 s) practically does not lead to an increase in the drain current. It remains stable at Id S ~0.92 A (black line). In the interval (t~360-420 s), the surface of biosensor No. 2 was washed with DV. The next addition (t~550 s) of an AG2 suspension with a concentration of 10 pg/μl leads to a sudden increase in the current Ids. However, no further decrease is observed. There is a stabilization of the current value at the level of Id S ~0.95 A. There is no characteristic slight change in the current. The process of dynamic equilibrium of the interaction of AG2 with the gate surface is observed. The influence of AG2 on the current value of biosensor No. 2 is limited by their remote position relative to the surface in a state of equilibrium. Prevent AT.

Вывод - неспецифическое связывание АТ+АГ2 не происходит.Conclusion: nonspecific binding of AT+AG2 does not occur.

Claims (2)

1. Биосенсор для индикации биологических частиц, включающий корпус (1) и установленный в нем кристалл (2) кремния с расположенными на нем электродом заземления (3) для обеспечения электрического контакта снизу с исследуемой суспензией биологических частиц, транзисторами, над которыми образована измерительная камера (4) для исследования суспензии биологических частиц, и которые содержат, стоки (5, 6) и истоки (7, 8), между которыми расположены чувствительные элементы, выполненные в виде нанопроволок (9, 10) соответственно, отличающийся тем, что измерительная камера (4) выполнена чашеобразной и осесимметричной, на наклонные боковые края которой и в зазор между корпусом (1) и кристаллом (2) кремния нанесен слой (11) электроизоляционной эмали, электрод заземления (3) сверху покрыт нанослоем золота и расположен в центре измерительной камеры (4) на кристалле (2) кремния, причем поверхность измерительной камеры (4), контактирующая с исследуемой суспензией биологических частиц, за исключением электрода заземления (3), покрыта нанослоем (12) диоксида гафния.1. A biosensor for indicating biological particles, including a housing (1) and a silicon crystal (2) installed in it with a grounding electrode (3) located on it to ensure electrical contact from below with the suspension of biological particles under study, transistors, above which a measuring chamber is formed ( 4) to study a suspension of biological particles, and which contain drains (5, 6) and sources (7, 8), between which there are sensitive elements made in the form of nanowires (9, 10), respectively, characterized in that the measuring chamber ( 4) is made cup-shaped and axisymmetric, on the inclined side edges of which and in the gap between the body (1) and the silicon crystal (2) a layer (11) of electrical insulating enamel is applied, the grounding electrode (3) is covered with a gold nanolayer on top and is located in the center of the measuring chamber ( 4) on a silicon crystal (2), and the surface of the measuring chamber (4), in contact with the suspension of biological particles under study, with the exception of the grounding electrode (3), is covered with a nanolayer (12) of hafnium dioxide. 2. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электроизоляционной эмали используют эмаль ЭП-91.2. Biosensor according to claim 1, characterized in that EP-91 enamel is used as electrical insulating enamel.
RU2023130512U 2023-11-21 Biosensor for indication of biological particles RU223220U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU223220U1 true RU223220U1 (en) 2024-02-08

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9880126B2 (en) * 2010-09-24 2018-01-30 Ajou University Industry-Academic Cooperation Foundation Biosensor based on carbon nanotube-electric field effect transistor and method for producing the same
WO2020240041A1 (en) * 2019-05-31 2020-12-03 Life Science Inkubator Sachsen Gmbh & Co. Kg Semiconductor based biosensor utilizing the field effect of a novel complex comprising a charged nanoparticle
RU2774307C1 (en) * 2021-11-23 2022-06-17 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 biopathogens

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9880126B2 (en) * 2010-09-24 2018-01-30 Ajou University Industry-Academic Cooperation Foundation Biosensor based on carbon nanotube-electric field effect transistor and method for producing the same
WO2020240041A1 (en) * 2019-05-31 2020-12-03 Life Science Inkubator Sachsen Gmbh & Co. Kg Semiconductor based biosensor utilizing the field effect of a novel complex comprising a charged nanoparticle
RU2774307C1 (en) * 2021-11-23 2022-06-17 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 biopathogens
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

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Malsagova К. A., Pleshakova Т.О., Kozlov A.F., Galiullin R.A., Popov V.P., Tikhonenko F.V., Glukhov A.V., Ziborov V.S., Shumov I.D., Petrov O.F., Generalov V.M., Cheremiskina A.A. et al., "Detection of influenza virus using a SOI-nanoribbon chip, based on an n-type field-effect transistor", Biosensors, 2021, V. 11, n.4, р. 11. Naumova O.V., Fomin B.I., "Interface-State Density in SOI-FET Sensors", WSEAS Transaction on System and Control, 2018, V.13, pp. 514-519. Malsagova, K.A., Ivanov, Yu.D., Pleshakova, T.O., Kozlov, A.F., Krohin, N.V., Kaysheva, A.L., Shumov, I.D., Popov, V.P., Naumova, O.V., Fomin, B.I., Nasimov, D.A., "SOI-nanowire biosensor for detection of D-NFAT 1 protein", Biomed Khim., 2015, 61, pр. 462-467. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bergveld A critical evaluation of direct electrical protein detection methods
US8383396B2 (en) Apparatus and method for measuring biological material
US11531003B2 (en) Analyte detector for detecting at least one analyte in at least one fluid sample
Li et al. AC electrokinetics-enhanced capacitive immunosensor for point-of-care serodiagnosis of infectious diseases
US6824669B1 (en) Protein and peptide sensors using electrical detection methods
JP4777159B2 (en) Dual gate type sensor
JP4081477B2 (en) Biomolecule detection apparatus and biomolecule detection method using the same
US20030073071A1 (en) Solid state sensing system and method for measuring the binding or hybridization of biomolecules
Kamahori et al. A novel enzyme immunoassay based on potentiometric measurement of molecular adsorption events by an extended-gate field-effect transistor sensor
JP4731544B2 (en) Biomolecule detection apparatus and biomolecule detection method using the same
US8093667B2 (en) Flexible gate electrode device for bio-sensing
RU223220U1 (en) Biosensor for indication of biological particles
US20090170209A1 (en) Hydrogel chemical sensor
JP5424227B2 (en) Test substance detection sensor
JP2614905B2 (en) Immunosensor
JPS63208753A (en) Immune sensor and immune detection
RU2107296C1 (en) Method of electrochemical indication of immuno-chemically active macromolecules in examined solutions
Scherf et al. Electrochemical immunosensors for the diagnosis of celiac disease
Berney et al. Development of a capacitive immunosensor: a comparison of monoclonal and polyclonal capture antibodies as the primary layer
RU215954U1 (en) Biosensor for indication of biological particles
RU2774307C1 (en) Biosensor for indication of biopathogens
US20240183847A1 (en) IMPEDANCE-BASED NEUTRALIZING ANTIBODY DETECTION BIOSENSOR WITH APPLICATION TO SARS-CoV-2 INFECTION
Berney et al. Development of a generic IC compatible silicon transducer for immunoreactions
JPH0326345B2 (en)
Kochev et al. From'bulk'to'interfacial'types of sensors