Биосенсорика

Биосенсорика

Эволюция комплексных электронных устройств привела к появлению нового направления микро- и наноэлектроники, которое реализуется через использование технологий микро- и нанообработок за пределами традиционных полупроводниковых материалов и приборов. Данное направление получило название "Больше, чем Мур" и предусматривает создание нецифровых функциональных компонентов и их интеграцию с логическими схемами. Движущей силой развития направления является фактически неограниченный спектр практического применения интеллектуальных систем, получаемых путем интеграции разных гетерогенных компонентов в рамках одной микросхемы или в едином корпусе. Одним из активно развивающихся направлений современного приборостроения является создание портативных систем химического анализа.


С ростом уровня жизни значительно увеличилось внимание, уделяемое химическому контролю качества продуктов, мониторингу экологической обстановки окружающей среды, совершенствованию методов ранней медицинской диагностики. В этом контексте биосенсоры как универсальные анализаторы химического состава, использующие биологические принципы распознавания, получают все большее распространение в различных областях аналитической химии из-за способности быстро и селективно детектировать широкий спектр различных соединений. Они находят применение при детекции биомаркеров в биологических жидкостях для постановки диагнозов в медицине, определении вредных веществ в сточных водах во время мониторинга экологической обстановки, контроле свежести сырья и наличия антибиотиков в пищевой промышленности.


Биосенсоры рассматриваются как класс устройств, которые позволяют проводить быстрый химический анализ без использования специального оборудования химических лабораторий, без проведения сложной пробоподготовки анализируемых образцов и без наличия специальной квалификационной подготовки пользователя устройства. Обозначенные преимущества и сценарии использования устройств диктуют дальнейшее развитие данных приборов – увеличение степени автоматизации и миниатюризации с одной стороны и снижение себестоимости при улучшении сенсорных характеристик с другой стороны для расширения возможности их повсеместного массового использования.


При изготовлении биосенсора непосредственно в цикле изготовления интегральной микросхемы возможно произвести интеграцию преобразователя сигнала и схемы обработки сигнала и получить «биосенсор на чипе». Подобная монолитная интеграция позволяет достичь нового уровня миниатюризации конечного прибора и решает ряд проблем, связанных с соотношением уровня полезного сигнала к шуму. Кроме того, она позволяет формировать массивы преобразователей сигнала со схемами обработки в рамках одной микросистемы, открывая новые возможности для мульти- или параллельного анализа в микрообъеме, что в настоящее время является очень востребованным для медицинских и геномных исследований.


Изготовление биосенсоров основывается на технологии гетерогенной интеграции, в рамках которой применяются дополнительные финишные обработки пластин с готовыми микросхемами внутри для расширения возможностей их применения. Данная технология позволяет обойти ограничения, вызванные фиксированным набором технологических операций полупроводниковых фабрик, осуществляющих изготовление интегральных схем путем введения дополнительных процессов и материалов в циклы финишной обработки пластин.


В ИНМЭ РАН проводятся исследования и разработки на стыке наноэлектроники, микрофлюидики и биосенсорики. Основной целью работ в этой области является разработка серийных технологий гетерогенной интеграции (модифицированных технологических маршрутов) для создания интеллектуальных биосенсоров и аналитических микросистем химического анализа. В институте реализован полный цикл разработки интегральных биосенсоров от моделирования конструкции чувствительных элементов и проектирования схем обработки сигнала до получения биорецепторов и формирования микрофлюидных структур в процессе сборки микросистем на базе экспериментальной линии промышленного оборудования.


Исследования ведутся по следующим направлениям:


  • Разработка технологий формирования и сборки биосенсоров в составе КМОП-пластин (рисунок 1)
  • Разработка интегральных биосенсоров на основе ферментативных реакций
  • Разработка интегральных биосенсоров на основе ДНК-взаимодействий
  • Разработка технологий ДНК секвенирования на основе ионно-чувствительных полевых транзисторов и биологический нанопор в составе ИС
  • Разработка технологий сборки биосенсоров и микрофлюидных систем (рисунок 2)
  • Разработка внешних устройств считывания и обработки микросхем с биосенсорами (рисунок 3)
  • Разработка аналого-цифровых блоков для схем считывания и обработки биосенсоров (рисунок 4)

Кроме того, разрабатываются и исследуются новые материалы для применения в микроэлектронной промышленности. Полученные полимеры хорошо зарекомендовали себя в качестве материала для корпусирования кристаллов, а также для создания микрофлюидных систем.


Рисунок 1 – А) аффинные биосенсоры Б) – каталитические биосенсоры


Рисунок 2 – Пример сборки микросхемы с биосенсорами и микрофлюиодной системой


Рисунок 3 – Фотография части стенда для измерения биосенсоров в составе микросхемы


Рисунок 4 - Топология чипа, содержащего тестовые модули, а также схемы для считывания сигнала с ISFET-датчиков