Исследовательская команда Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина» совместно с ФТИАН имени К.А. Валиева добилась значительного прорыва в ранней диагностике онкологических заболеваний. В их последних разработках ключевую роль играет инновационное использование слоя оксида гафния для защиты нанопроводниковых кремниевых биосенсоров от агрессивного воздействия биологических жидкостей, таких как кровь и сыворотка. Эта технология пассивации не только позволяет существенно продлить срок службы сенсоров, но и сохраняет их исключительную чувствительность, способную обнаруживать единичные молекулы биомаркеров, включая простат-специфический антиген (ПСА).
Современные вызовы и новые решения в диагностике рака
В современной медицинской практике все большее значение приобретают быстрые и сверхточные методы раннего выявления заболеваний. Среди наиболее перспективных инструментов особое место занимают биосенсоры на основе полевых транзисторов с нанопроводниковым кремниевым каналом. Эти высокотехнологичные устройства способны фиксировать присутствие даже индивидуальных молекул биологических маркеров, что особенно важно для диагностирования онкологических заболеваний на начальных стадиях.
Однако их практическое применение осложнено одной ключевой проблемой: под воздействием жидких сред, таких как кровь или сыворотка, поверхность кремния постепенно разрушается. Это приводит не только к искажению результатов (дрейфу сигнала), но и к преждевременному выходу биосенсоров из строя, серьезно ограничивая их использование в клинике.
Оксид гафния: надежная броня для кремниевых сенсоров
В поисках оптимального решения ученые МГУ выбрали ультратонкий слой оксида гафния (HfO₂) для покрытия кремниевых нанопроводов. Этот материал давно зарекомендовал себя в микроэлектронике благодаря сочетанию высокой химической инертности, отличных изолирующих свойств и большой диэлектрической проницаемости. Новое покрытие создается с помощью атомно-слоевого осаждения, что гарантирует равномерность и точность нанесения даже на нанометровом уровне.
Инновация заключается в том, что слой HfO₂ дает возможность значительно увеличить физическую толщину защитной прослойки. При этом сохраняется уникальная чувствительность устройства, так как высокая диэлектрическая проницаемость материала препятствует возникновению паразитных сигналов и обеспечивает эффективную работу сенсора даже при эксплуатации в биологических растворах различного уровня кислотности и щелочности.
Эксперименты, подтверждающие превосходные свойства биосенсоров
Чтобы проверить эффективность новой технологии, были проведены сравнительные опыты между биосенсорами, покрытыми традиционным оксидом кремния (SiO₂), и аналогичными устройствами с оксидом гафния. Результаты показали: HfO₂ обеспечивает сенсорам заметно большую устойчивость, минимизируя влияние агрессивных сред на электрофизические характеристики транзисторов. Также было отмечено минимальное количество структурных дефектов на границе материалов, а риск образования так называемых «ловушек заряда», способных снижать точность измерения, оказался существенно ниже по сравнению с традиционными покрытиями.
Функционализация для диагностики ПСА: шаг вперед к эффективному скринингу
Важнейшим этапом исследования стала разработка адаптированной методики химической модификации поверхности нового покрытия. Биосенсоры были дополнительно снабжены золотыми наночастицами, которые, в свою очередь, послужили платформой для прикрепления специфичных антител к ПСА — ключевого маркера рака предстательной железы. Эта система позволила добиться не только высокой надежности и специфичности детекции, но и убедительно доказала, что слой оксида гафния не мешает дальнейшей биофункционализации устройств. В итоге стало возможно создание рабочих биосенсорных платформ для самых сложных задач скрининга.
Преимущества и перспективы применения биосенсоров нового поколения
Внедрение в практику сенсоров с защитным слоем HfO₂ означает переход на качественно новый уровень диагностики. Подобные устройства сочетают миниатюрность, надежность, долговечность и недорогую себестоимость. К тому же, они значительно упрощают процедуру экспресс-обнаружения маркеров заболеваний еще на доклинической стадии, что обеспечивает огромные преимущества при массовых скринингах и позволяет вовремя приступить к лечению.
Еще одним преимуществом технологического прорыва является возможность прямого применения устройств в точках оказания медицинской помощи (point-of-care). Благодаря этому сложные лабораторные анализы могут быть доступны врачу и пациенту буквально в течение нескольких минут, что особенно важно в условиях дефицита времени или ресурсов.
Взгляд в будущее: новые горизонты для медицины и инженерии
Данные перспективные разработки усиливают позиции отечественной науки и открывают перед медициной огромные возможности ранней диагностики. Надежные биосенсоры, защищенные инновационным диэлектрическим слоем, способны выявлять даже минимальные количества простат-специфического антигена, а в будущем — других специфичных биомаркеров различных заболеваний. Команда МГУ продолжит работу по совершенствованию этой технологии, включая создание мультианализаторов для комплексного контроля за здоровьем и расширение сферы применения сенсоров на базе оксида гафния и кремния.
Таким образом, новое поколение биосенсоров, разработанное российскими исследователями, способно стать основой для мощных инструментов диагностики, увеличивающих шансы пациентов на выздоровление благодаря максимально раннему выявлению патологий. Их внедрение обещает вывести первичную диагностику на принципиально новый уровень, сделать ее доступнее, точнее и быстрее для всех.
Источник: scientificrussia.ru
