А.А. Черемискина¹, В.М. Генералов², А.С. Сафатов³, Г.А. Буряк4, А.Л. Асеев5

1-4 ФБУН ГНЦ вирусологии и биотехнологии «Вектор» Роспотребнадзора (р.п. Кольцово, Новосиб. обл., Россия)

5 Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (г. Новосибирск, Россия);

Новосибирский государственный университет (г. Новосибирск, Россия)

Постановка проблемы. Подготовка поверхности биосенсора на основе кремниевого нанопроволочного полевого транзистора является одной из основных проблем создания высокоселективного и чувствительного аналитического устройства. Она заключается в очистке поверхности от вероятных многочисленных как органических, так и неорганических загрязнений. В настоящее время существует большое количество способов и методов очистки, однако их выбор по-прежнему остается актуальным в вопросе решения конкретных задач (например, в определении номенклатуры используемых растворов, качестве химических реактивов, их концентрации, степени собственной чистоты). Очевидно, что некачественно выполненная очистка или неправильно подобранные условия ее проведения, в конечном итоге, сказываются на эффективности иммобилизации биологического материала на поверхность биосенсора и его эксплуатационные показатели в целом. 

Цель работы – обзор литературных данных о способах и методах подготовки поверхности подложки кремниевых нанопроволочных полевых транзисторов.

Результаты. Собрана и систематизирована информация, касающаяся классификации методов очистки поверхности от органических и неорганических загрязнений, вариантов выполнения процедуры иммобилизации биологического материала. На основании предъявляемых к ним требований рассмотрены основные достоинства, а также недостатки. В результате проведенного анализа, по мнению авторов данной работы, отмечены наиболее востребованные методы подготовки поверхности биосенсора.

Практическая значимость. Представлена возможность ознакомления читателя с проблемой подготовки биосенсора на основе кремниевого нанопроволочного полевого транзистора, формулировкой нерешенных вопросов в данной области исследований, а также изучения имеющихся достижений. Представленный обзор может быть использован для: разработки и создания более совершенных подходов очистки и подготовки поверхности подложки кремниевых нанопроволочных полевых транзисторов; оценки обобщенного уровня лабораторной пробоподготовки и прогнозе дальнейшего развития пробоподготовки; лекционных курсов по проблемам биотехнологии по специальности 03.01.06 – Биотехнология (в том числе бионанотехнологии).

Черемискина А.А., Генералов В.М., Сафатов А.С., Буряк Г.А., Асеев А.Л. Подготовка поверхности подложки кремниевых нанопроволочных полевых транзисторов для создания биосенсора // Технологии живых систем. 2021. T. 18. № 2. С. 62–70. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700997-202102-08

1. Ivanov Y., Pleshakova T., Malsagova K., Kurbatov L., Popov V., Glukhov A., Smirnov A., Enikeev D., Potoldykova N., Alekseev B., Dolotkazin D., Kaprin A., Ziborov V., Petrov O., Archakov A. Detection of marker miRNAs, associated with prostate cancer, in plasma using SOI-NW biosensor in direct and inversion modes. Sensor. 2019. V. 19. № 23. P. 5248–5264. 
2. Mu L., Chang Y., Sawtelle S.D., Wipf M., Duan X., Reed M.A. Silicon Nanowire Field-Effect Transistors – a versatile class of potentiometric nanobiosensors. IEEE Access. 2015. V. 3. P. 287–302.
3. Prieto-Simon B., Campas M., Marty J.-L. Biomolecule immobilization in biosensor development: tailored strategies based on affinity interactions. Protein and Peptide Letters. 2008. V. 15. № 8. P. 757–763.
4. Liu Y-C. C., Rieben N., Iversen L., Sorensen B.S., Park J., Nygard J., Martinez K.L. Specific and reversible immobilization of histidine-tagged proteins on functionalized silicon nanowires. Nanotechnology. 2010. V. 21. № 24. P. 1–7. 
5. Syu Y-C., Hsu W-E., Lin C-T. Review—Field-Effect Transistor Biosensing: devices and clinical applications. ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2018. V. 7. № 7. P. Q3196–Q3207.
6. Кузнецов Е.В., Рыбачек Е.Н. Биосенсоры на кремниевых нанопроволочных полевых транзисторах // Инновационная экономика. 2010. № 3. C. 85–90.
7. Namdari P., Daraee H., Eatemadi A. Recent Advances in Silicon Nanowire Biosensors: Synthesis Methods, Properties, and Applications. Nanoscale Research Letters. 2016. V. 11. P. 406–422.
8. Schmidt V., Wittemann J.V., Senz S., Gösele U. Silicon nanowires: a review on aspects of their growth and their electrical properties. Advanced materials. 2009. V. 21. P. 2681–2702. 
9. Сарач О.Б. Конспект лекций по дисциплине Основы технологии электронной компонентной базы. М.: НИУ «МЭИ». 2012. 250 с.
10. Шангереева Б.А., Муртазалиев А.И., Шангереев Ю.П. Способ очистки поверхности кремниевых пластин для изготовления мощных транзисторов // Инновационная наука. 2015. № 11. C. 133–135.
11. Шмаков М., Паршин В., Смирнов А. Школа производства ГПИС. Очистка поверхности пластин и подложек // Технологии в электронной промышленности. 2008. № 5. С. 76–80.
12. Тимошенков С.П., Калугин В.В., Прокопьев Е.П. Исследование технологии очистки поверхности пластин кремния в процессе изготовления структур КНИ и микроэлектронных изделий // Микросистемная техника. 2003. № 1. С. 13–22.
13. Суворов А.Л., Богданович Б.Ю., Залужный А.Г., Графутин В.И., Калугин В.В., Нестерович А.В., Прокопьев, Е.П., Тимошенков С.П., Чаплыгин Ю.А. Технологии структур КНИ. М.: Изд-во «МИЭТ». 2004. 407 с.
14. Welch N.G., Scoble J.A., Muir B.W., Pigram P.J. Orientation and characterization of immobilized antibodies for improved immunoassays (Review). Biointerphases. 2017. V. 12. P. 02D301-1-02D301-13.
15. Rashid J.I.A., Yusof N.А. The strategies of DNA immobilization and hybridization detection mechanism in the construction of electrochemical DNA sensor: A review. Sensing and Bio-Sensing Research. 2017. V. 16. P. 19–31.
16. Gao A., Chen S., Wang Y., Li T. Silicon Nanowire Field-effect-transistor-based Biosensor for Biomedical Applications. Sensors and Materials.2018. V. 30. No. 8. Р. 1619–1628.
17. Lin M.C., Chu C.J., Tsai L.C., Lin H.Y., Wu C.S., Wu Y.P., Wu Y.N., Shieh D.B., Su Y.W., Chen C.D. Control and detection of organosilane polarization on Nanowire Field-Effect Transistors. Nano Letters. 2007. V. 7. № 12. P. 3656–3661.
18. Presnova G., Presnov D., Krupenin V. Biosensor based on a silicon nanowire field-effect transistor functionalized by gold nanoparticles for the highly sensitive determination of prostate specific antigen. Biosensors and Bioelectronics. 2017. V. 88. P. 283–289. 
19. Du L., Zou L., Wang Q., Zhao L., Huang L., Wang P., Wu C. A novel biomimetic olfactory cell-based biosensor with DNA-directed site-specific immobilization of cells on a microelectrode array. Sensors and Actuators B: Chemical. 2015. V. 217. P. 186–192. 
20. Ansari A., Imoukhuede P. Plenty more room on the glass bottom: Surface functionalization and nanobiotechnology for cell isolation. Nano Research. 2018. V. 11. № 10. P. 5107–5129. 
21. Moskovitz Y., Srebnik S. Mean-Field Model of Immobilized Enzymes Embedded in a Grafted Polymer Layer. Biophysical Journal. 2005. V. 89. № 1. P. 2–-31.
22. Kozitsina A.N., Svalova T.S., Malysheva N.N., Okhokhonin A.V., Vidrevich M.B., Brainina K.Z. Sensors based on bio and biomimetic receptors in medical diagnostic, environment, and food analysis. Biosensors. 2018. V. 8. № 2. P. 1–34.
23. Общая химическая технология. Теоретические основы химической технологии / Под ред. И.П. Мухленова. М.: Изд-во «Высшая школа». 1984. Т. 1. 256 с.
24. Gao Z., Agarwal A., Trigg A.D., Singh N., Fang C., Tung C-H., Fan Y., Buddharaju K.D., Kong J. Silicon nanowire arrays for labelfree detection of DNA. Analytical Chemistry. 2007. V. 79. № 9. P. 3291–3297. 
25. Ivanov Y.D., Pleshakova T.O., Kozlov A.F., Malsagova K.A., Krohin N.V., Shumyantseva V.V., Shumov I.D., Popov V.P., Naumova O.V., Fomin B.I., Nasimov D.A., Aseev A.L, Archakov A.I. SOI nanowire for the high-sensitive detection of HBsAg and a-fetoprotein. Lab on a Chip. 2012. V. 12. № 23. P. 5104–5111.
26. Sang W.H., Lee S., Hong J., Jang E., Lee T., Koh W-G. Mutiscale substrates based on hydrogel-incorporated silicon nanowires for protein patterning and microarray-based immunoassays. Biosensors and Bioelectronics. 2013. V. 45. P. 129–135.
27. Kern W. The Evolution of Silicon Wafer Cleaning Technology. Journal of The Electrochemical Society. 1990. V. 137. № 6. P. 1887–1892.
28. Celler G.K. Etching of Silicon by the RCA Standard Clean 1. Electrochemical and Solid-State Letters. 2000. V. 3. № 1. P. 47–49.
29. Goddard J.M., Hotchkiss J.H. Polymer surface modification for the attachment of bioactive compounds. Progress in Polymer Science. 2007. V. 32. № 7. P. 698–725.
30. Kroesen G.M.W., Lee H.-J., Moriguchi H., Motomura H. Investigations of the surface chemistry of silicon substrates etched in a RFbiased inductively coupled fluorocarbon plasma using fouriertrans form infrared ellipsometry. Journal of Vacuum Science and Technology A. 1998. V. 16. № 1. P. 225–232.
31. Shirafuji T., Stoffels W.W., Moriguchi H., Tachibana K. Silicon surfaces treated by CF4, CF4/H2, and CF4/O2 RF plasmas: Study by in situ fourier transform infrared ellipsometry. Journal of Vacuum Science and Technology A. 1997. V. 15. № 2. P. 209–215. 
32. Syverson D.J. Method and apparatus for controlling simultaneous etching of front and back sides of wafers. United States Patent, no US 4857142, 1989.
33. Osborne N., Rust W., Laser A. Understanding ion induced damage. Semiconductor European. 2000. V. 22. № 7. P. 21–23.
34. Bhardwaj T. A Review on Immobilization Techniques of Biosensors. International journal of advanced research in engineering and technology. 2015. V. 6. № 2. P. 36–62.
35. Pividori M.I., Merkoсi A., Alegret S. Electrochemical genosensor design: immobilisation of oligonucleotides onto transducer surfaces and detection methods. Biosensors and Bioelectronics. 2000. V. 15. № 5–6. P. 291–303.
36. Smet de L.C.P.M., Ullien D., Mescher M., Sudhölteret E.J.R. Organic surface modification of Silicon Nanowire-Based Sensor devices. Nanowires – Implementations and Applications. 2011. P. 267–288.
37. Vu X.T., Stockmann R., Wolfrum B., Offenhäusser A., Ingebrandt S. Fabrication and application of a microfluidic‐embedded silicon nanowire biosensor chip. Physical status solidi / A. 2010. V. 207. № 4. P. 850–857.
38. Kusnezow W., Hoheisel J.D. Solid supports for microarray immunoassays. Journal of molecular recognition. 2003. V. 16. P. 165–176. 
39. Welch N.G., Scoble J.A., Muiret B.W., Pigram P.J. Orientation and characterization of immobilized antibodies for improved immunoassays (Review). Biointerphases. 2017. V. 12. № 2. P. 1–14. 
40. Hartmann A., Bock D., Seeger S. One-step immobilization of immunoglobulin G and potential of the method for application in immunosensors. Sensors and Actuators B: Chemical. 1995. V. 28. № 2. P. 143–149.
41. Зубов В.П., Иванов А.Е., Жигис Л.С., Рапопорт Е.М., Марквичева Е.А., Лукин Ю.В., Зайцев С.Ю. Молекулярное конструирование полимерных материалов для биотехнологии и медицины // Биоорганическая химия. 1999. Т. 25. № 11. С. 868–880.
42. Яковлев А.А. Кросс-линкеры и их использование для исследования межмолекулярных взаимодействий // Нейрохимия. 2009. Т. 26. № 2. C. 149–155.
43. Larsen B.A., Hurst K.M., Ashurst W.R., Isaacs L., Ehrman S.H., English D.S. Mono and dialkoxysilane surface modifi cation of superparamagnetic iron oxide nanoparticles for application as magnetic resonance imaging contrast agents. Materials Research Society. 2012. V. 27. № 14. P. 1846–1852.
44. Saengdee P., Chaisriratanakul W., Bunjongpru W., Sripumkhai W., Srisuwan A., Jeamsaksiri W., Hruanun C., Poyai A., Promptmas C. Surface modification of silicon dioxide, silicon nitride and titanium oxynitride for lactate dehydrogenase immobilization. Biosensors and Bioelectronics. 2015. V. 67. P. 134–142.