В.М. Генералов1, А.А. Черемискина2, М.В. Кручинина3, А.В. Глухов4, Г.А. Буряк5, А.С. Сафатов6

1,2,5,6 ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора (р.п. Кольцово, Новосибирская область, Россия)
3 НИИ терапии и профилактической медицины – филиала ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики СО РАН» (г. Новосибирск, Россия)
4 ОКБ АО «Новосибирский завод полупроводниковых приборов «Восток» (г. Новосибирск, Россия)
1 general@vector.nsc.ru, 2 cheremiskina_aa@vector.nsc.ru, 3 kruchmargo@yandex.ru, 4 glwav@yandex.ru, 5 buryak@vector.nsc.ru, 6 safatov@vector.nsc.ru

Постановка проблемы. Пандемия COVID-19 (2020–2023 гг.) показала необходимость создания быстрых и эффективных методов лабораторной диагностики вирусов, которые могли бы анализировать большое количество проб за небольшой промежуток времени. Помимо медицины, такие методы важны для проведения научных и экологических исследований, мониторинга окружающей среды и т.д. Современные достижения в области электроники и биологии позволили разработать новый перспективный метод детекции вирусов, а также и других биологических молекул – биосенсор на базе кремниевого полевого транзистора. Важная часть технологии детекции с использованием биосенсора – регистрирующее устройство. Оно функционирует в комплексе с компьютером и обеспечивает запись результатов модуляции электрического тока в цепи исток-сток биосенсора в реальном масштабе времени с помощью специальной электронной программы.

Цель. Усовершенствовать и развивать конструкции и принципы работы биосенсора и соответствующего регистрирующего устройства на примере обнаружения белка.

Результаты. Представлена оригинальная конструкция биосенсора, направленная на облегчение его использования. Сформулированы принцип разработки программного обеспечения для получения целевого сигнала в процессе детекции. Показано, что с помощью биосенсора возможно проводить анализ в режиме реального времени с высокой чувствительностью и селективностью. Установлено, что время детекции составляет 200–300 с, чувствительность 103–104 вирусных частиц на мл.

Практическая значимость. Биосенсоры на основе кремниевого нанопроволочного полевого транзистора – перспективное устройство для обнаружения вирусов в течение нескольких минут. Их разработка необходима для применения устройств в лабораторной диагностике. В ближайшие годы следует ожидать широкого применения биосенсоров на практике.

Генералов В.М., Черемискина А.А., Кручинина М.В., Глухов А.В., Буряк Г.А., Сафатов А.С. Биосенсор на основе полевого транзистора: новые возможности в диагностике // Биомедицинская радиоэлектроника. 2025. T. 28. № 6. С. 65−72. DOI: https://doi.org/ 10.18127/j15604136-202506-07

1. WHO Director-General's opening remarks at the media briefing on Covid-1919 11 march 2020 г. URL: https://www.who.int/ru/ dg/speeches/detail/who-director-general-s-opening-remarks-at-the-media-briefing-on-Covid-19---11-march-2020 (дата обращения: 29.08.2024).
2. Bergveld P. Development of an ion sensitive solid-state device for neurophysiological measurement // IEEE Transistors. 1970. V. 17. № 10. P. 70–73.
3. Аксенова Е.И., Камынина Н.Н., Маклакова Ю.А. Биосенсорные системы в медицине: экспертный обзор. М.: ГБУ «НИИОЗММ ДЗМ». 2020. 20 с.
4. Бурункова Ю.Э., Самуйлова Е.О. Сенсорные системы и материалы. СПб.: Университет ИТМО. 2023. 117 с.
5. Ivanov Y.D., Goldaeva K.V., Malsagova K.A., Pleshakova T.O., Galiullin R.A., Popov V.P., Kushlinskii N.E., Alferov A.A., Eni-
   keev D.V., Potoldykova N.V., Archakov A.I. Nanoribbon biosensor in the detection of miRNAs associated with colorectal cancer // Micro­machines (Basel). 2021. V. 12. № 12. P. 1581.
6. Mousavian Z., Fahimi-Kashani E., Nafisi V., Fahimi-Kashani N. Recent advances in development of biosensors for monitoring of airborne microorganisms // Iran. J. Biotechnol. 2024. V. 22. № 2. P. e3722.
7. Hu J., Li Y., Zhang X., Wang Y., Zhang J., Yan J., Li J., Zhang Z., Yin H., Wei Q., Jiang Q., Wei S., Zhang Q. Ultrasensitive silicon nanowire biosensor with modulated threshold voltages and ultra-small diameter for early kidney failure biomarker cystatin C // Biosensors. 2023. V. 13. № 6. P. 645.
8. Kim E.R., Joe C., Mitchell R.J., Gu M.B. Biosensors for healthcare: current and future perspectives // Trends Biotechnol. 2023. V. 41. № 3. P. 374–395.
9. Malsagova K.A., Popov V. P., Kupriyanov I.N., Pleshakova T.O., Galiullin R.A., Kozlov A. F., Shumov I.D., Larionov D.I., Tikhonenko F.V., Kapustina S.I., Ziborov V.S., Petrov O.F., Gadzhieva O.A., Bashiryan B.A., Shimansky V.N., Archakov A.I., Ivanov Y.D. Raman spectroscopy-based quality control of «Silicon-on-Insulator» nanowire chips for the detection of brain cancer-associated
   microRNA in plasma // Sensors (Basel). 2021. V. 21. № 4. P. 1333.
10. Dmitrienko E., Naumova O., Fomin B., Kupryushkin M., Volkova A., Amirkhanov N., Semenov D., Pyshnaya I., Pyshnyi D. Surface modification of SOIFET sensors for label-free and specific detection of short RNA analyte // Nanomedicine. 2016. V. 11. № 16. Р. 2073–2082.
11. Park I., Lim J., You S., Hwang M.T., Kwon J., Koprowski K., Kim S., Heredia J., Stewart de Ramirez S.A., Valera E., Bashir R. Detection of SARS-CoV-2 virus amplification using a crumpled graphene field-effect transistor biosensor // ACS sensor. 2021. V. 6. № 12. P. 4461–4470.
12. Zong X., Zhu R. ZnO nanorod-based FET biosensor for continuous glucose monitoring // Sensors and Actuators B: Chemical. 2018. V. 255. P. 2448–2453.
13. De Moraes A.C.M. Recent trends in field-effect transistors-based immunosensors // Chemosensors. 2016. V. 4. № 4. P. 20.
14. Naumova O., Generalov V., Shcherbakov D., Zaitseva E., Zhivodkov Y., Kozhukhov A., Latyshev A., Aseev A., Safatov A., Buryak G., Cheremiskina A., Merkuleva Ju., Rudometova N. Sensors with dielectrophoretic concentration of viruses and proteins // Biosensors. 2022. V. 12. № 11. P. 992.
15. Генералов В.М., Черемискина А.А., Глухов А.В., Грабежова В.К. Биосенсор для индикации биологических частиц: полезная модель к патенту RU 215954 U1 Рос. Федерация. заявл. 25.08.2022 № 2022122941; опубл. 11.01.2023, Бюл. № 2.
16. ФГБНУ Институт биомедицинской химии имени В.Н. Ореховича. Уникальная научная установка «Авогадро». URL: chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://ibmc.msk.ru/content/USU-240621.pdf (дата посещения 10.08.2024).
17. Наумова О.В., Фомин Б.И. Оптимизация отклика нанопроволочных биосенсоров // Автометрия. 2016. Т. 52. № 5. С. 21–25.
18. Syu Y.C., Hsu W.E., Lin C.T. Field-effect transistor biosensing: Devices and clinical applications // ECS J. Solid State Sci. Technol. 2018. V. 7. № 7. P. Q3196.