Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках данного этапа работ был произведена разработка конструкции преобразователей сигнала, которые в дальнейшем будут использованы для создания аптасенсоров на копептин. Конструкция чувствительного элемента представляет собой ионно-чувствительный полевой транзистор с расширенным затвором, у которого вскрытая выводная площадка покрыта чувствительным слоем. Адсорбция заряда на чувствительную поверхность такой структуры приводит к изменению тока в канале, что может быть преобразовано в аналитический сигнал. Изготовление подобной конструкции может быть реализовано на стандартном производстве КМОП ИС при помощи дополнительных финишных обработок пластин, по завершению стандартного цикла изготовления ИС. Для разработки эскизного маршрута технологии изготовления чувствительных элементов (полупроводниковых структур), была выбрана серийная аналого-цифровая 1М2П КМОП ИС технология НПК «Технологический центр». При разработке маршрута была произведена отработка формирования расширенного затвора на вскрытых алюминиевых площадках. Для этого, на МОП-структурах с контактными площадками в виде алюминия, производилось осаждение оксида тантала методом атомно-слоевого осаждения (АСО) и производилось исследование влияние процесса на вольт-амперные характеристики структур (изменение допорогового наклона и гистерезиса). Для формирования встроенного электрода сравнения был поставлен процесс формирования рисунка с использованием метода обратной фотолитографии. Использовался стандартный процесс формирования фоторезистивной маски толщиной 1.2мкм, на которую последовательно в одном вакуумном цикле напылялись слои титан/алюминий (порядка 50/150нм). Был сформирован рельеф металла и успешно проведен электрический тест на контроль закороток/обрыва металла. Процесс был отработан на алюминии, впоследствии при реализации маршрута для изготовления интегрированного электрода будет использовано золото. При проектировании итоговой конструкции чувствительного элемента учитывались требования по достижению максимальной чувствительности при работе в допороговом режиме МОП-структуры сенсора, для уменьшения эффекта смещения было минимизировано антенное соотношение плавающего затвора. Геометрия и размеры чувствительной области были спроектированы для уменьшения химического шума, теплового шума и фликкер-шума МОП-транзистора, лежащего в основе чувствительного элемента. На основании разработанного эскизного маршрута были разработаны схемы считывания и последующей обработки, формируемого в процессе адсорбции аналитического сигнала. Схемы считывания предполагают использование механизма преобразования напряжения жидкость/(чувствительный слой) к напряжению (плавающий затвор)/подложка МОП-биосенсора с учетом емкостной связи с последующим преобразованием в ток сток/истока с учетом режима работы МОП-структуры сенсора. Разработанные схемы обработки можно условно разбить на 2 типа: единичных и дифференциальных измерений. Были разработаны схемы единичных измерений на основе повторителя и трансимпедансного усилителя, а также схемы дифференциального и инструментального усилителя. С использованием разработанных схем было выполнено финальное топологическое проектирование всей микросхемы. Были подобраны оптимальные условия для проведения отбора модифицированных ДНК-аптамеров к копептину на следующем этапе проекта. С использование высокопроизводительного секвенирования проведена валидация четырёх алкин-содержащих ДНК-библиотек с различным соотношением азотистых оснований в случайном участке. Для последующего проведения отбора аптамером выбрана одна с наиболее равномерной представленностью азотистных оснований. Показано, что модификатор бензилазид способен функционализировать алкин-содержащую ДНК. Подобраны оптимальные условия для амплификации модифицированной ДНК с помощью ДНК-полимеразы Deep Vent (exo-). Установлена оптимальная концентрация копептина для иммобилизации на носителе. Показано, что этаноламин наиболее эффективно пассивирует поверхность носителя от неспецифической сорбции ДНК. Результаты выполнения проекта представлены на международной онлайн-конференции «4th Edition of World Nanotechnology Conference». Резюме доклада доступен в интернет: https://worldnanotechnologyconference.com/program/scientific-program/2022/optimization-of-isfet-structure-formation-technology-for-use-in-biochemical-analysis-systems

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На втором этапе проекта с использованием разработанного ранее эскизного маршрута были изготовлена партия КМОП ИС пластин, содержащих полупроводниковые наноструктуры и схемы считывания и обработки сигнала биосенсора. В процессе изготовления были созданы n- и p-канальные МОП-транзисторы для КМОП схем и заготовки для формирования биосенсоров. Для создания последующей чувствительной поверхности биосенсоров была нанесена пленка оксида тантала толщиной порядка 30нм методом атомно-слоевого осаждения. В результате были получены МОП-биосенсоры с чувствительными поверхностями и КМОП-схемами обработки сигнала: биосенсоры со схемой повторителя, трансимпедансного усилителя и инструментального усилителя. Показана работоспособность МОП-биосенсоров со схемами обработки сигнала после технологической операции формирования плавающего затвора с чувствительной поверхностью в растворах с разным значением pH. Полученные результаты доказывают работоспособность данных схем в условиях малого изменения потенциала (до 50 мВ) на границе жидкость/чувствительный слой, которое свойственно при специфичном связывании биомакеров с ДНК-аптамерами, иммобилизованными на чувствительной поверхности. Был проведен отбор аптамеров к кардиомаркеру копептину методом SELEX и использованием стандартной ДНК-библиотеки и ДНК-библиотеки, содержащей азотистые основания, модифицированные бензилазидом. В результате выполнения SELEX на основе немодифицированной ДНК были получены образцы библиотек, обогащённых лигандами к копептину. Выполнено их высокопроизводительное секвенирование. Был выполнен биоинформационный анализ результатов секвенирования, по итогам которого было отобрано 17 последовательностей потенциальных аптамеров к копептину. На основании изучения отобранных олигонуклеотидов флуоресцентным методом найден ДНК-аптамер к копептину, константа диссоциации составила (210±60) нМ. В результате выполнения SELEX на основе модифицированной ДНК-библиотеки не удалось получить лигандов, специфичных к копептину. В результате сравнение нескольких подходов к иммобилизации олигонуклеотидов на поверхности Ta2O5 оптимальным для модифицированных и немодифицированных аптамеров был выбран подход, основанный на формировании дисульфидной связи. Для немодифицированных аптамеров также высокой эффективностью характеризуется иммобилизации через реакцию азид-алкинового циклоприсоединения. В течение второго года выполнения проекта его результаты были представлены на конференциях: 1. The 2nd International Electronic Conference on Biomolecules: Biomacromolecules and the Modern World Challenges, 1-15 ноября 2022 г, онлайн. Стендовый доклад "Validation and amplification of random DNA libraries with modified nucleobases for Click-SELEX" https://sciforum.net/paper/view/13692 2. 2023 IEEЕ Ural-Siberian Conference on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT), 15-17 мая 2023 г, г. Екатеринбург, Россия Устный доклад «Design of CMOS Readout Circuits for ISFET Aptasensor»