RU2815247C1 - Биосенсор - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к приборам для анализа биологических материалов, в частности к измерениям, основанным на способах связывания биоспецифических лигандов с помощью электрических средств, а также применительно к исследованию и анализу путем измерения активного сопротивления слоя графена. Представлен биосенсор, включающий подложку с расположенными на ней графеновым чипом и контактными площадками, соединенными с графеновым чипом по крайней мере двумя токопроводящими дорожками. При этом токопроводящие дорожки выполнены из слоя никеля толщиной не более 5 мкм, на поверхность которых нанесен слой золота толщиной не менее 2 мкм, а ширина контактных площадок превышает ширину токопроводящих дорожек не менее чем в 2 раза. Подложка установлена в цилиндрический держатель, снабженный, по крайней мере, двумя подпружиненными контактами, установленными в держателе с возможностью подключения к контактным площадкам. Достигается повышение точности результатов тестирования при одновременном расширении функциональных возможностей биосенсора. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к приборам для анализа биологических материалов, например крови, мочи, в частности к измерениям, основанным на способах связывания биоспецифических лигандов с помощью электрических средств, а именно к приборам для исследования и анализа путем измерения активного сопротивления слоя графена.

Наиболее распространенным и эффективным методом определения наличия заболевания является метод, предусматривающий помещение жидкого биологического материала в контейнер с последующим помещением в контейнер с жидким биологическим материалом (погружной способ) чувствительного элемента или системы, состоящей из набора графеновых чувствительных элементов, определение, в частности, емкостного сопротивления и сохранение в памяти считывающего устройства данных измерений каждого графенового чувствительного элемента. (Заявка US 20210341409 «Non-invasive bladder cancer detection system via liquid and gaseous phase analysis», filed: Apr. 28, 2021, Pub. Date: Nov. 4, 2021).

Возможность использования известного способа ограничена необходимостью использования больших объемов биологического материала, полученного единовременно, что в ряде случаев в принципе является недоступным.

Высокая точность результатов тестирования может быть достигнута иммунной реакцией антиген-антитело на поверхности графена. Такой метод тестирования предусматривает детектирование электрических параметров, которые изменяются в процессе взаимодействия антиген-антитело (Natalia М. Shmidt et al., 2021, investigation of the Morphology and Electrical Properties of Graphene Used in the Development of Biosensors for Detection of Influenza Viruses, Biosensors» (Basel) 2021 Dec 23; 12 (1): 8. doi: 10.3390toios12010008). В рассматриваемом способе тестирования при контакте антитела с биоматериалом фиксируется изменение тока протекающего через графеновый чип. Однако высокая точность тестирования в случае использования такого типа биосенсора требует основательной проработки электрической схемы подключения чипа к измерительным приборам.

Известен также биосенсор, включающий подложку с расположенными на ней графеновым чипом и контактными площадками, соединенными с графеновым чипом, по крайней мере, двумя токопроводящими дорожками (А Eliseyev et al., 2020, «Raman scattering and low-frequency noise in epitaxial graphene chips» Phys.: Conf. Ser. 1697 012130). Известный биосенсор включает контактные площадки, соединенные с графеновым чипом проводящими дорожками из золота. Более точные параметры электрической схемы в известном источнике информации не рассмотрены.

Задача изобретения - повышение точности результатов тестирования с использованием биосенсора на основе графенового чипа при одновременном расширении функциональных возможностей биосенсора.

Поставленная задача решается за счет того, что биосенсор, включающий подложку с расположенными на ней графеновым чипом и контактными площадками, соединенными с графеновым чипом, по крайней мере, двумя токопроводящими дорожками, включает токопроводящие дорожки, выполненные из слоя никеля толщиной не более 5 мкм, на поверхность которых нанесен слой золота толщиной не менее 2 мкм, а ширина контактных площадок превышает ширину токопроводящих дорожек не менее чем в 2 раза, при этом, подложка установлена в цилиндрический держатель, снабженный, по крайней мере, двумя подпружиненными контактами, установленными в держателе с возможностью подключения к контактным площадкам.

Наилучшим материалом для подложки является керамика марки ВК94-1 (22 ХС) или аналог. Она характеризуется химической стойкостью к органическим растворителям и различным биологическим жидкостям, которые используются в процессе изготовления и использования сенсора, и обладает удельным объемным электрическим сопротивлением не менее 1013 Ом⋅см (при 100 °С), что позволяет получить минимальные токи утечки между контактными площадками. Подпружиненные контакты держателя предпочтительно должны быть покрыты слоем золота.

Биосенсор может быть снабжен четырьмя токопроводящими дорожками, расположенными симметрично относительно продольной оси устройства и соединяющими графеновый чип с четырьмя контактными площадками, при этом подложка установлена в держатель, снабженный четырьмя подпружиненными контактами.

Целесообразно, чтобы расстояние между центральными токопроводящими дорожками, по крайней мере, в 2 раза превышало расстояние между токопроводящими дорожками, расположенными по краям диэлектрической подложки.

Никель, обеспечивает хорошую адгезию золота к керамическому держателю. Золото в нормальных условиях не подвержено окислению, тем самым обеспечивается качественный контакт золотых контактных площадок с контактами стержня. Также, к золоту можно приваривать проволоки, соединяющие омические площадки чипа с дорожками держателя, которые также выполнены из золота.

Необходимость использования золотого покрытия обусловлена тем, что золото, имея малое сопротивление, одновременно не подвержено окислению, при этом исключается образование оксидов, что особенно критично при малых уровнях напряжения, подаваемого на графеновый чип (десятки милливольт).

При условии, что толщина слоя никеля не превышает 5 мкм, его влияние на сопротивление дорожки минимально.

При условии, что толщина слоя золота составляет менее 2 мкм, не представляется возможным обеспечить одновременно необходимое сопротивление токопроводящих дорожек и надежное соединение сваркой дорожек с омическими площадками чипа с помощью золотых проволок.

Цилиндрический держатель, снабженный подпружиненными контактами, в который установлена подложка с чипом, позволяет проводить измерения погружным способом в малом объеме биоматериала, что, в свою очередь, позволит расширить функциональные возможности биосенсора.

Как показали эксперименты, учитывая погрешности изготовления, в частности, подпружиненных контактов держателя, необходимым условием надежного контакта является выполнение контактных площадок шириной превышающей ширину токопроводящих дорожек не менее чем в 2 раза.

Наиболее целесообразной схемой соединения чипа с контактными площадками является схема, состоящая из четырех токопроводящих, дорожек, хотя в ряде случаев двух токопроводящих дорожек достаточно.

При использовании схемы состоящей из двух токопроводящих дорожек по этим дорожкам производится как подача тока на чип, так и измерение напряжения на нем, что приводит к тому, что измеренное напряжение включает, помимо напряжения на чипе, падение напряжения на паразитных сопротивлениях дорожек, проволок и контактов. При использовании четырех токопроводящих дорожек по одной паре дорожек подается ток, а измерение напряжения производится посредством другой. Поскольку по измерительной паре дорожек ток не течет, падение напряжения на ее паразитных сопротивлениях равно нулю и измеренное напряжение равно напряжению на чипе. Таким образом, точность измерений повышается.

Изобретение поясняется чертежами, где:

Фиг. 1 - Биосенсор с держателем;

Фиг. 2 - Биосенсор с четырьмя токопроводящими дорожками.

Биосенсор включает подложку 1, на которой расположены графеновый чип 2 и контактные площадки 3, которые соединены с графеновым чипом токопроводящими дорожками 4 и 5. Биосенсор может быть выполнен с четырьмя токопроводящими дорожками 4, 5, 6 и 7. Подложка установлена в цилиндрический держатель 8, который снабжен подпружиненными контактами 9.

Подложка 1, установленная в цилиндрический держатель 8 при помощи экранированного кабеля, состоящего из двух витых пар соединялась с измерительным блоком, который, в свою очередь при помощи USB кабеля соединялся с персональным компьютером. Поскольку контакты цилиндрического держателя, предназначенные для подключения к контактным площадкам подпружинены, обеспечивалась четкая фиксация соединения в любом положении и даже при необходимости внешнего механического воздействия. Держатель с чипом опускался в пробирку с тестируемым раствором таким образом, чтобы чип был полностью погружен в раствор. За счет того, что подложка 1 с графеновым чипом 2 надежно установлена в держателе 8, обеспечивается возможность работы устройства с малыми количествами биоматериала с использованием различных объемов, предназначенных для размещения тестируемого раствора, что позволяет значительно расширить функциональные возможности биосенсора и сферу его использования.

Через крайние контактные площадки подложки 3 производилась подача тока на графеновый чип 2, при этом производилось измерение величины тока. Через центральные контактные площадки производилось измерение напряжения на графеновом чипе. Прибор может работать в одном из двух режимов: либо в режиме поддержания заданного тока через чип, либо в режиме поддержания заданного напряжения на нем. Результирующий сигнал, представляет собой сопротивление графенового чипа и находится как частное от деления измеренного значения сопротивления графенового чипа на измеренное значение тока, протекающего через чип.

Как показали эксперименты, именно в условиях, когда необходимо погружение графенового чипа в раствор с биоматериалом, именно такая схема измерения позволяет повысить точность полученных результатов. Для проведения экспериментов использовались пробирки типа Эппендорфа, общий объем которых составляет 100 мкл. В качестве тестируемого вещества использовались растворы вирусов гриппа А и Б с концентрацией от 10-16 г/мл до 10-9 г/мл. Описанная выше конструкция сенсора позволила получить сигнал при тестировании вирусов гриппа А и Б с концентрацией 10-16 г/мл, что является рекордным значением и не демонстрировалось ранее на сенсорах резистивного типа. Статья (Natalia М Shmidt et al., 2021, investigation of the Morphology and Electrical Properties of Graphene Used in the Development of Biosensors for Detection of Influenza Viruses, Biosensors» (Basel) 2021 Dec. 23; 12 (1): 8. doi: 10.3390/bios12010008).

Claims (5)

1. Биосенсор, включающий подложку с расположенными на ней графеновым чипом и контактными площадками, соединенными с графеновым чипом по крайней мере двумя токопроводящими дорожками, отличающийся тем, что токопроводящие дорожки выполнены из слоя никеля толщиной не более 5 мкм, на поверхность которых нанесен слой золота толщиной не менее 2 мкм, а ширина контактных площадок превышает ширину токопроводящих дорожек не менее чем в 2 раза, при этом подложка установлена в цилиндрический держатель, снабженный, по крайней мере, двумя подпружиненными контактами, установленными в держателе с возможностью подключения к контактным площадкам.

2. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что подложка выполнена из керамики.

3. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что подпружиненные контакты держателя покрыты слоем золота.

4. Биосенсор по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен четырьмя токопроводящими дорожками, расположенными симметрично относительно продольной оси устройства и соединяющими графеновый чип с четырьмя контактными площадками, при этом подложка установлена в держатель, снабженный четырьмя подпружиненными контактами.

5. Биосенсор по п. 4, отличающийся тем, что расстояние между центральными токопроводящими дорожками, по крайней мере, в 2 раза больше, чем расстояние между токопроводящими дорожками, расположенными по краям диэлектрической подложки.

Images