Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Разработаны новые методы синтеза композитных пористых наноструктур кремния с внедренными частицами металлов золото, серебро, либо биметаллов золото/серебро для изготовления на их основе ГКР-активных нанобиосенсоров. Пористые наноструктуры были синтезированы электрохимическим или металл-стимулированным химическим травлением пластин монокристаллического кремния с различным удельным сопротивлением. При электрохимическом травлении монокристаллического кремния использовались токи различных плотностей. Использовать при травлении различные концентрации травящих растворов. Для изготовления ГКР-активных подложек в том числе использован способ получения кремниевых нанонитей с использованием в качестве катализаторов травления золотых наночастиц. Отработаны литографические методы получения пористых упорядоченных наноструктур заданной морфологии. В результате получены наноструктурированные пленки кремния с различными диаметрами пор, с различной толщиной, и различной пористости. Изучены структурные свойства полученных наноструктур с помощью сканирующей электронной микроскопии. Пористость изучена методом изотерм адсорбции азота и обработкой СЭМ изображений. Изучены свойства гидрофильности-гидрофобности получаемых поверхностей. Отработаны методики покрытия полученных пористых кремниевых матриц серебряными или золотыми наночастицами (НЧ Ag, НЧ Au), а также биметаллическими наночастицами (НЧ Ag@Au) путем химического восстановления металлов из соли серебра и хлорида золота. Изучены структурные и ГКР-активные свойства полученных композитных материалов. Впервые показано, что размер пор в слое пористого кремния (PSi) может быть важным параметром при использовании его в качестве матрицы для создания поверхностей с усиленным комбинационным рассеянием (КР). Проведена оценка ГКР-активности PSi с порами размером от мезо до макро, поверхность которых была покрыта наночастицами золота (НЧ Au). Экспериментально и теоретически доказано, что разные диаметры пор в слоях PSi обеспечивают различную морфологию золотого покрытия, от почти монослоя до расстояния 50 нм между наночастицами. Метиленовый синий (MB) и 4-меркаптопиридин (4-MPy) были использованы для оценки ГКР-активности полученных поверхностей Au/PSi. Показано, что наилучшее усиление сигнала КР света наблюдается, когда внутренний диаметр торообразных НЧ Au составляет около 35 нм. Проведен экспериментальный поиск оптимальных структурных и оптических параметров изготовленных образцов для диагностики бактериальных инфекций на примере детектирования инвазивного белка интерналина В (InlB), выступающего в качестве маркера патогенной бактерии Listeria monocytogenes. Для этого экспериментально были подобраны параметры эффективной сорбции белка из его водных растворов. Исследовалась возможность детектирования ГКР сигнала InlB на подложках различной морфологии. Наилучший сигнал наблюдался при сорбции белка на подложки Ag@Au/SiNWs при инкубации в PBS. Нижний предел чувствительности биосенсора составляет 10-8 M, что соответствует пределам обнаружения белка в тех же условиях методом ИФА. Чтобы понять роль плазмонных резонансов в спектрах ГКР разработанных композитных наноматериалов, проведено теоретическое моделирование интенсивности КР света как функции внутреннего диаметра пор PSi. Показано, что результаты моделирования согласуются с полученными экспериментальными данными. По результатам работ в 2020 году написано 2 статьи в рецензируемых высокорейтинговых журналах (одна статья опубликована в журнале Q1, одна статья находится на стадии рецензирования). Результаты работ представлены в 5 докладах на международных и российских научных конференциях (4 устных и 2 стендовых доклада). К работам активно привлечены студенты и аспиранты.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Разработаны подложки пленок макропористого кремния, декорированные золотыми наночастицами, демонстрирующие свойства эффективной сорбции и диагностики вирусов с использованием метода гигантского комбинационного рассеяния света (ГКР). Для этого проведен поиск оптимальных структурных и оптических параметров образцов сенсорных элементов для диагностики вирусов на примере вируса гриппа H1N1. Показано, что пределы чувствительности сенсора на основе пленок макропористого кремния составляют 0.1 микрограмм/мл. Разработаны методики покрытия поверхности ГКР-активных кремниевых композитных наноструктур антителами для обеспечения селективной сорбции вирусов. В первой методике ковалентная иммобилизация антител выполнялась на поверхности золотых наночастиц. Во второй методике иммобилизация антител происходила на поверхности кремниевых наноструктур. Исследованы возможности как неселективной, так и селективной сорбции вирусов на разработанные ГКР-активные подложки. Показана возможность регистрации ГКР спектров H1N1 как при их неселективной сорбции, так и при селективной сорбции. Доказана с использованием различных биологических и физико-химических методов противовирусная адсорбционная (вирулицидная) эффективность наночастиц пористого кремния против различных оболочечных и безоболочечных патогенных вирусов человека, таких как вирус гриппа A, полиовирус, вирус иммунодефицита человека, вирус Западного Нила и вирус гепатита. После взаимодействия с наночастицами наблюдается сильное подавление инфекционной активности зараженных вирусами жидкостей, что проявляется в снижении инфекционного титра всех изученных типов вирусов примерно в 10^4 раз и соответствует инактивации 99,99 % вирусов in vitro. Такая сорбционная способность наночастиц возможна благодаря их микропористой структуре и огромной удельной поверхности, которая обеспечивает эффективный захват вирионов. Данный эффект показано может быть использован для диагностики вирусов методом ГКР, когда используются композитные наночастицы кремний-золото. Разработаны нано-биосенсоры для изучения молекулярно-биологических процессов, происходящих в клетках. Для этого проведен поиск оптимальных структурных и оптических параметров образцов сенсорных элементов. Подобраны ГКР-активные подложки, обеспечивающие адгезию клеток и усиление сигнала комбинационного рассеяния клеточных органелл и белков. Такие подложки представляют собой декорированные золотом нанонити, полученные методом электронно-лучевой литографии. Изучена in-vitro цитотоксичность подложек по отношению к клеткам рака груди MDA231 при их инкубации до 120 часов. Доказано отсутствие цитотоксичности подложек при культивировании на них клеток. Методом конфокальной люминесцентной микроскопии и сканирующей электронной микроскопии показана хорошая адгезия клеток на подложках декорированных золотом нанонитей. Впервые продемонстрирована возможность усиления сигнала комбинационного рассеяния клеточных органелл от клеток, культивируемых на разработанных ГКР-активных подложках. Разработаны ГКР-активные подложки на основе декорированных золотом кремниевых нанонитей, полученных металл-стимулированным химическим травлением пластин кристаллического кремния, для безметочной диагностики молекул билирубина (BR). Для обеспечения эффективной адсорбции BR разработана методика модификации поверхности нанонитей аминогруппами. Продемонстрирована диагностика BR с высокой воспроизводимостью от точки к точке, от сканирования к сканированию и от партии к партии с пределом обнаружения 10^-6 M. Искусственная моча, имитирующая образцы человеческой мочи, была использована в качестве матрицы для получения влияния различных параметров, таких как сложность матрицы, на общий ГКР сигнал BR. Стабильность сигнала была продемонстрирована в течение 7 дней после адсорбции BR с концентрацией 5 × 10^-5 М, что является необходимой чувствительностью для клинического применения. Проведено численное моделирование оптических свойств разработанных ГКР-активных нано-биосенсоров. Показано, что основной вклад в общий сигнал ГКР дают молекулы аналита, расположенные на поверхности кремниевых нанонитей вблизи наночастиц золота. При этом усиление сигнала комбинационного рассеяния света составляет 5*10^7. По результатам работ в 2021 году написано 3 статьи в рецензируемых высокорейтинговых журналах Q1. Результаты работ представлены в 6 докладах на международных и российских научных конференциях (1 приглашенный, 4 устных и 1 постерный доклады) и СМИ. К работам активно привлечены студенты и аспиранты.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Разработаны сенсорные системы на основе подложек кремниевых нанонитей, декорированных биметаллическими наноструктурами серебро/золото для диагностики бактерий методом гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) на примере непатогенных бактерий Listeria innocua штамм SLCC 3379. Для этого сконструирована и сделана специальная ячейка, позволяющая осуществлять диагностику наличия бактерий в их растворах in-situ. Показано, что в полученных ГКР-спектрах наблюдаются линии, являющиеся характерными сигналами от белков бактерий. Произведена оценка чувствительности разработанной системы для обнаружения бактерий, продемонстрирована возможность получения сигналов бактерий вплоть до концентраций 1.6*10^7 кое/мл. Вместе с тем показано изменение сигналов ГКР бактерий при воздействии на ни антибиотиками. На основании представленных результатах сделан вывод о возможности применения разработанных ГКР-систем на основе композитных наноструктур кремниевых нанонитей, декорированных серебром и золотом, не только для обнаружения бактерий, но и для проверки их антибиотико-устойчивости, что несомненно важно для их применений в клинике. Продемонстрирована возможность применения композитных подложек декорированных серебром кремниевых нанонитей для безметочного определения белков методом ГКР, в том числе впервые показана возможность экспресс-диагностики белка InlB патогенных бактерий Listeria monocytogenes методом ГКР с использованием полученных наноструктур. Рассчитанный из экспериментальных спектров предел обнаружения InlB составляет 4.8·10^-9 M, что свидетельствует о высокой чувствительности разработанных ГКР-активных систем. Таким образом, разработанные в проекте композитные наноструктуры обладают огромным потенциалом для диагностики различных белков, в частности – белка InlB, методом ГКР. Полученные в работе результаты являются перспективными для использования предложенной методики в диагностике патогенных бактерий Listeria monocytogenes в клинической практике. Разработаны ГКР-активные подложки на основе композитных наноструктур кремниевых нанонитей, декорированных наночастицами серебро/золото для безметочной диагностики белка-онкомаркера: простатического специфического антигена (ПСА). Для этого отработаны методы модификации поверхности композитных наноструктур антителами, обеспечивающих ковалентное связывание с белками ПСА. Проведена серия экспериментов по исследованию возможности обнаружения ПСА методом ГКР с помощью разработанных сенсорных систем, при сорбции белка из растворов PBS, так и из сыворотки крови. В спектрах ГКР наблюдались характерные полосы белковой природы, которые можно отнести к ПСА. При этом рассчитанный предел детектирования ПСА составил 0.8 нг/мл, что сравнимо с клинически значимым диапазоном. Полученные результаты указывают на возможность использования разработанной сенсорной системы для ГКР-диагностики ПСА в клинике у больных при развитии рака простаты. Для анализа усиления сигнала комбинационного рассеяния света в структурах, состоящих из композитных наноматерилов кремния, декорированных наночастицами плазмонных металлов, были разработаны модели в COMSOL Multiphysics. Показано, что наличие плазмонных резонансов в агломератах наночастиц золота и серебра приводит к локальному усилению поля вблизи их поверхностей и появлению “горячих точек”. В результате поле, рассеянное молекулами молекулами аналитов, сорбированными на кремниевые нанонити вблизи агломерата золотых и серебряных наночастиц, значительно, до 10^9 раз, усиливается. Дополнительно к заявленным планам, были также исследованы структурные и оптические свойства кремниевых нанонитей (КНН), полученных методом металл-стимулированного химического травления с использованием золотых наночастиц в качестве катализатора химических реакций травления кремния, поскольку такой метод получения КНН предложен в проекте впервые. Показано, что нанонити состоят из 50 нм кристаллической сердцевины, на которой наблюдается слой нанокристаллов кремния (nc-Si) размером 2-5 нм, и 25 нм слоя поверхностного оксида. Массивы нанонитей демонстрируют крайне низкое полное отражения (3-7 %) в спектральной области 250-1000 нм, что может быть объяснено эффектом локализации света. Интенсивности межзонной фотолюминесценции (ФЛ) и КР для КНН возрастают в 3 и 4 раза, соответственно, по сравнению с подложкой c-Si, что также объясняется сильным рассеянием и частичной локализацией света в неоднородной оптической среде. Кроме того, обнаружена ФЛ в спектральной области 500–1000 нм с максимумом на длине волны 700 нм, что можно объяснить излучательной рекомбинацией экситонов в кремниевых нанокристаллах на поверхности КНН со средними размерами около 3.5 нм. Полученные результаты перспективны для разработки на основе КНН антиотражающих покрытий для использования в фотовольтаике, а также для создания оптических сенсоров и люминесцентных меток. В целом, полученные в ходе 3 года работ над проектом результаты, закладывают научные основы для клинических испытаний новых ГКР-активных нано-биосенсоров на основе композитных наноструктур кремния и частиц благородных металлов, использование которые позволит повысить эффективность диагностики социально-значимых заболеваний, что в свою очередь приведет к повышению эффективности лечения как бактериальных инфекций, так и онкозаболеваний, улучшению качества жизни граждан, сокращению расходов на здравоохранение. По результатам работ в 2022 году опубликовано 2 статьи в рецензируемых научных журналах. Готовятся к публикации еще две статьи, которые также планируется опубликовать в высокорейтинговых журналах. Результаты работ представлены в одном приглашенном и 4 устных докладах на международных и всероссийских научных конференциях; освещены в интервью в СМИ. К работам активно привлечены студенты и аспиранты.