SOI nanowire for the high-sensitive detection of HBsAg and α-fetoprotein

Abstract

Silicon-on-isolator-nanowires (SOI-NWs) were used for the label-free, real-time biospecific detection of the hepatitis B marker HBsAg and cancer marker α-fetoprotein (AFP). Specific protein-protein recognition was carried out using individual NWs that were functionalized with antibodies. To solve the problem of non-specific binding of target protein molecules to the sensor element the use of a reference NW with immobilized antibodies against non-target proteins was proposed. Using individual SOI-NW surface functionalization allowed the fabrication of a NW array, containing working NWs and reference NWs within one chip. It was shown that this approach allows us to reach a detection limit up to 10(-14) and 10(-15) M for HBsAg and AFP, respectively. Our investigations also allowed us to reveal the influence of the charged state of the target protein molecules and antibodies in solutions with various pH values on the target protein detection limit. A high sensitivity NW-detector is of interest for the creation of diagnosticums for hepatitis B and for the early stages of cancer diseases.

SOI-nanowire biosensor for the detection of D-NFAT 1 protein

“…Для измерений в электролитических растворах на поверхность кристалла с набором КНИ-НП транзисторов был нанесён защитный слой окисленного тетраэтилортосиликата. Схема биосенсора описана в [10]. Микрожидкостная кювета биосенсора имела объём 500 мкл, дном которой был наночип с диаметром чувствительной зоны 2 мм.…”

“…Представленные зависимости являются разностными сигналами, рассчитанными аналогично [10]. Для расчёта разностного сигнала в случае НП, функционализированного anti-NFAT Ab, учитывали данные контрольного НП, с иммобилизованным anti-GST.…”

“…Для этой цели в последнее время разрабатываются новые типы биосенсоров на основе нанотехнологий, в частности, сенсор на основе АСМ [1][2][3][4], оптические нанобиосенсоры [5][6][7][8], нанопроволочные биосенсоры [9,10]. Наибольший интерес для диагностики представляют нанопроволочные биосенсоры (НП-биосенсоры) в связи с тем, что они относятся к классу так называемых безметковых ("label-free") детекторов и позволяют проводить регистрацию макромолекул в режиме реального времени.…”

“…Для белков экспериментально достигнутый предел детектирования (DL) составляет фемтомолярный уровень как, например, показано для пары антитело/лептин [14], для пары авидин/биотин [15] или для пары анти-AFP/AFP (AFP -альфа-фетопротеин) [10]. Такая чувствительность была достигнута при использовании антител, иммобилизованных на поверхности нанопроволочного биосенсора в качестве молекул-зондов.…”

“…Кремниевые НП были созданы на основе технологии с использованием Au в качестве катализатора при эпитаксиальном росте проволок из паровой фазы (Au-catalyst-assisted chemical vapor process). Ранее на примере белков AFP и поверхностного антигена вируса гепатита В (HBsAg) [10] мы показали, что использование альтернативного метода производства монокристаллических Si нанопроволок с помощью электронно-лучевой литографии и плазменного травления позволяет более технологично проводить нанострукурирование слоёв КНИ (с использованием электронной литографии и газо-плазменным травлением) и достигать чувствительность детекции на уровне 10 -14 -10 -15 М. В настоящей работе использован этот же метод формирования КНИ-НП для изготовления биосенсора, модифицированого аптамерами к белку NFAT 1 (ядерным фактором активированных Т-клеток, кодируемому геном в составе 18 хромосомы), и сравнения чувствительности полученного аптасенсора с биосенсором, в котором в качестве зондов -молекул используются антитела. Было показано, что такой КНИ-НП биосенсор позволяет достигать концентрационную чувствительность на уровне 10 -15 М, как для аптамеров, так и для антител, используемых в качестве зондов -молекул.…”