Разработка бимодального оптического/электрического сенсора на основе тонких пленок пористых наноструктур кремния для диагностики вирусов и бактерий

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-72-10062

НазваниеРазработка бимодального оптического/электрического сенсора на основе тонких пленок пористых наноструктур кремния для диагностики вирусов и бактерий

Руководитель Гончар Кирилл Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова Оптические сенсоры; интерференция; электрические сенсоры; импеданс; тонкие пленки; биосенсор; наноструктуры кремния; кремниевые нанонити; вирусы; бактерии

Код ГРНТИ76.13.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Быстрое обнаружение и идентификация вирусов и бактерий остается серьезной проблемой. Как показала текущая пандемия SARS-CoV-2, стремительное распространение новых штаммов вирусов, отсутствие специфических противовирусных лекарств и времязатратность получения новых эффективных вакцин приводит как к заражению и смерти миллионов людей, так и к значительному социально-экономическому ущербу. Несмотря на значительные успехи, достигнутые в борьбе с некоторыми бактериальными инфекционными заболеваниями, существует ряд инфекций, диагностика которых до сих пор затруднена. К числу таких заболеваний следует отнести листериоз, возбудителем которого является бактерия Listeriamonocytogenes, широко распространенная в природе, и вызывающая острые инфекционные заболевания у людей и животных. Listeriamonocytogenes относится к внутриклеточным бактериям (так же, как Mycobacteriumtuberculosis), и плохо поддается стандартной антибиотикотерапии. Несмотря на то, что случаев заболевания листериозом немного, эта инфекция представляет значительную проблему в области общественного здравоохранения в связи с высокой смертностью. Диагностика вирусов и бактерий у пациентов в настоящее время проводится с применением лабораторных тестов, самым распространенными из которых является полимеразная цепная реакция (ПЦР) для вирусов и стандартные бактериологические или серологические методы для диагностики бактерий. Однако, результаты таких тестов становятся известны, как правило, только по прошествии суток, а проведение этих тестов возможно только в специальных лабораторных условиях обученным персоналом. В то же время, для препятствования распространения пандемий, существует острая необходимость в разработке экспресс-биосенсоров, сенсорный отклик которых можно снимать с использованием компактных мобильных переносных систем, и которые позволят быстро обнаруживать вирусы и бактерии как в биологических жидкостях, так и в воздушных пробах в местах скопления людей, в медицинских учреждениях, школах, на предприятиях. Представленный проект направлен на разработку сенсоров на вирусы и бактерии на основе тонких пленок пористых кремниевых наноструктур. Выбор наноструктур кремния в качестве основы сенсора связан с быстротой и воспроизводимостью методов их получения, а также доступностью методов функционализации их поверхности для обеспечения специфической сорбции изучаемых биообъектов. Новизна проекта связана с разработкой как методик получения функционализированных пористых пленок кремния, обеспечивающих эффективную специфическую сорбцию вирусов и бактерий, так и методов снятия сигнала сенсорного отклика, в котором для достоверности получаемых данных будут задействованы одновременно как оптические, так и электрические методики. Сенсор будет основан на пористой кремниевой наноструктуре, в которой размер пор будет регулироваться путем подбора параметров, используемых в синтезе образцов, в соответствии с размерами объектов-мишеней: вирусы или бактерии. Будут варьироваться параметры получения образцов и подбираться оптимальные структурные, оптические и электрические свойства получаемых наноструктур для обеспечения высокой чувствительности их характеристик к сорбции вирионов (на примере вируса гриппа H1N1 и проч.) и бактерий (на примере Listeriamonocytogenes и проч.) различных концентраций. Кроме того, будет отработана методика покрытия поверхности кремниевых наноструктур антителами и аптамерами для обеспечения специфического связывания с вирусами и бактериями. Для снятия сенсорного отклика оптического сенсора будет разработана портативная установка на основе переносного мини-спектрометра. С ее помощью будет возможно измерять интерференционные спектры получаемых пористых пленок, оптическая плотность которых будет зависеть от концентрации адсорбированных в поры вирусов и бактерий. Для снятия сенсорного отклика электрического сенсора разрабатываемые тонкие пористые пленки будут интегрированы в цепь переменного тока, изменение импеданса которой при сорбции вирусов и бактерий будет регистрироваться. Будет разработана система для одновременной регистрации как оптического, так и электрического отклика биосенсора, что обеспечит надежность получаемых результатов. При этом сигнал будет сниматься в режиме in-situ. Для этого будут разработаны специальные ячейки, где сенсорный отклик будет регистрироваться сразу при непосредственной сорбции вирусов или бактерий. Будет проводиться проверка селективности, чувствительности, быстроты получения сенсорного отклика оптимизированных датчиков в режиме in-situ. Разрабатываемая сенсорная платформа будет обладать свойством легкой адаптации для нацеливания на различные микроорганизмы и вирусы путем настройки размеров пор и химического состава поверхности кремниевых наноструктур для быстрого безметочного обнаружения патогенов вне лабораторных условий. Полученные результаты заложат научные основы для проведения клинических испытаний новых нано-биосенсоров, использование которых позволит повысить эффективность диагностики, что в свою очередь приведет к повышению эффективности профилактики и лечения вирусных и бактериальных инфекций. Наличие задействованной на всех этапах работ по проекту мультидисциплинарной научной группы, состоящей из физиков, химиков и биологов - опытных молодых специалистов, а также мотивированных студентов и аспирантов, обеспечит оптимальное достижение поставленных в проекте инновационных научных задач.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. М. Ван, Н.Ю. Саушкин, Л.А. Осминкина, К.А. Гончар Изучение эффекта локализации света в нитевидных кремниевых наноструктурах XXX Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2023», XXX Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2023», 10 – 21 апреля 2023; Москва, Россия, МГУ имени М.В. Ломоносова, секция «Физика», подсекция «Твёрдотельная наноэлектроника», с. 612. (год публикации - 2023)

2. Д.А. Назаровская, П.А. Домнин, О.Д. Гюппенен, И.И. Циняйкин, К.А. Гончар, Л.А. Осминкина Диагностика антибиотикорезистентности бактерий методом ГКР с использованием наноструктур кремниевых нанонитей, декорированных наночастицами благородных металлов XXX Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2023», XXX Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2023», 10 – 21 апреля 2023; Москва, Россия, МГУ имени М.В. Ломоносова, секция «Физика», подсекция «Медицинская физика», с. 348. (год публикации - 2023)

3. О.Д. Гюппенен, П.А. Домнин, Д.А. Назаровская Разработка композитных наноструктур на основе кремния и частиц благородных металлов для диагностики микроорганизмов методом гигантского комбинационного рассеяния XXX Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2023», XXX Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2023», 10 – 21 апреля 2023; Москва, Россия, МГУ имени М.В. Ломоносова, секция «Физика», подсекция «Физика твёрдого тела», с. 858. (год публикации - 2023)

4. К.А. Гончар, Н.Ю. Саушкин, И.И. Циняйкин, А.А. Елисеев, Ж.В. Самсонова, Л.А. Осминкина Диагностика вируса H1N1 с помощью интерференционного оптического сенсора на основе пористых наноструктур кремния Ломоносовские чтения 2023, Ломоносовские чтения 2023, 4-14 апреля 2023, Москва, Россия, МГУ имени М.В. Ломоносова, секция "Физика", подсекция "Медицинская физика", с. 151. (год публикации - 2023)

5. Л.А. Осминкина, Д.А. Назаровская, П.А. Домнин, О.Д. Гюппенен, С.А. Ермолаева, К.А. Гончар Двухмодальный оптический сенсор на основе наноструктур кремния для диагностики бактерий Ломоносовские чтения 2023, Ломоносовские чтения 2023, 4-14 апреля 2023, Москва, Россия, МГУ имени М.В. Ломоносова, секция "Физика", подсекция "Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина", с. 28. (год публикации - 2023)

6. К.А. Гончар, И.В. Божьев, О.А. Шалыгина, А.А. Елисеев, Л.А. Осминкина Структурные и оптические свойства кремниевых нанонитей, полученных с участием золотых наночастиц Издательско-полиграфический центр "Научная книга" (Воронеж), Вторая Всероссийская молодежная конференция «Высокоточная диагностика функциональных материалов: лабораторные и синхротронные исследования» ВДФМ-2022, 12-17 сентября 2022, Воронеж, Россия, ВГУ, с. 91. (год публикации - 2022)

7. Д.А. Назаровская, О.Д. Гюппенен, П.А. Домнин, И.И. Циняйкин, С.А. Ермолаева, К.А. Гончар, Л.А. Осминкина Наноструктуры кремниевых нанонитей, декорированных наночастицами благородных металлов, для диагностики антибиотикорезистентности бактерий методом гигантского комбинационного рассеяния Комбинационное рассеяние – 95 лет исследований, Российская конференция и школа молодых ученых по актуальным проблемам спектроскопии комбинационного рассеяния света "Комбинационное рассеяние – 95 лет исследований", 5-9 июня 2023, Новосибирск, Россия (год публикации - 2023)

8. Л.А. Осминкина Спектроскопия комбинационного рассеяния света и фотолюминесцентная микроскопия для изучения взаимодействия наноконтейнеров на основе пористого кремния с живыми клетками Комбинационное рассеяние – 95 лет исследований, Российская конференция и школа молодых ученых по актуальным проблемам спектроскопии комбинационного рассеяния света "Комбинационное рассеяние – 95 лет исследований", 5-9 июня 2023, Новосибирск, Россия (год публикации - 2023)

9. М.Г. Шатская, Д.А. Назаровская, К.А. Гончар, Я.В. Ломовская, И.И. Циняйкин, О.А. Шалыгина, А.А. Кудрявцев, Л.А. Осминкина Фотолюминесцентные пористые кремниевые нанонити как контрастные агенты для биовизуализации Конденсированные среды и межфазные границы (год публикации - 2023)

10. Ерохина А.А., Назаровская Д.А., Гюппенен О.Д., Домнин П.А., Циняйкин И.И., Ермолаева С.А., Гончар К.А., Осминкина Л.А. Композитные наноструктуры на основе декорированных наночастицами серебра и золота кремниевых нанонитей для диагностики бактерий Третья всероссийская молодежная конференция «Высокоточная диагностика функциональных материалов: лабораторные и синхротронные исследования» (ВДФМ-2023), Третья всероссийская молодежная конференция «Высокоточная диагностика функциональных материалов: лабораторные и синхротронные исследования» (ВДФМ-2023), 9-14 октября 2023, г. Воронеж, Россия, стр. 64 (год публикации - 2023)

11. Гончар К.А., Саушкин Н.Ю., Циняйкин И.И., Елисеев А.А., Гамбарян А.С., Самсонова Ж.В., Осминкина Л.А. Диагностика вирусов с использованием интерференционных пленок Фабри-Перо макропористого кремния Оптика и спектроскопия, Оптика и спектроскопия, 131(9), стр. 1283-1287 (2023) (год публикации - 2023)
10.61011/OS.2023.09.56617.4933-23

12. Назаровская Д.А., Домнин П.А., Гюппенен О.Д., Циняйкин И.И., Ермолаева С.А., Гончар К.А., Осминкина Л.А. Advanced bacterial detection with SERS-active gold- and silver-coated porous silicon nanowires Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 87 (Suppl. 1), pp. S41–S46 (2023) (год публикации - 2023)
10.3103/S1062873823704385

13. Гончар К.А. Оптические свойства кремниевых наноструктур и их сенсорные применения Третья всероссийская молодежная конференция «Высокоточная диагностика функциональных материалов: лабораторные и синхротронные исследования» (ВДФМ-2023), Третья всероссийская молодежная конференция «Высокоточная диагностика функциональных материалов: лабораторные и синхротронные исследования» (ВДФМ-2023), 9-14 октября 2023, г. Воронеж, Россия, стр. 49 (год публикации - 2023)

14. Назаровская Д.А., Гончар К.А., Домнин П.А., Гюппенен О.Д., Ерохина А.А., Ван М., Циняйкин И.И., Ермолаева С.А., Осминкина Л.А. Бимодальный оптический сенсор на основе декорированных золотом кремниевых нанонитей для экспресс-диагностики бактерий Третья всероссийская молодежная конференция «Высокоточная диагностика функциональных материалов: лабораторные и синхротронные исследования» (ВДФМ-2023), Третья всероссийская молодежная конференция «Высокоточная диагностика функциональных материалов: лабораторные и синхротронные исследования» (ВДФМ-2023), 9-14 октября 2023, г. Воронеж, Россия, стр. 111 (год публикации - 2023)

15. Назаровская Д., Гюппенен О., Домнин П., Циняйкин И., Ермолаева С., Гончар К., Осминкина Л. SERS-active arrays of gold- and silver-coated porous silicon nanowires for bacterial identification and antibiotic susceptibility testing 30th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT’23), 30th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT’23), 18-21 september 2023, Samara, Russia, LD-O-5, p. 213 (год публикации - 2023)

16. Шатская М., Назаровская Д., Евстратова Ю., Шалыгина О., Кудрявцев А., Гончар К., Осминкина Л. Photoluminescent porous silicon nanowires as bioimaging contrast agents 30th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT’23), 30th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT’23), 18-21 september 2023, Samara, Russia, LD-P-4, p. 226 (год публикации - 2023)

17. Осминкина Л.А. Biodegradable luminescent porous silicon nanoparticles in cancer diagnosis and therapy 30th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT’23), 30th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT’23), 18-21 september 2023, Samara, Russia, LD-I-13, p. 204 (год публикации - 2023)

18. Русаков Д.М., Гусев Д.В., ЦиняйкинИ.И., Гончар К.А., Ильин А.С., Мартышов М.Н. Anisotropy of the conductivity of silicon nanowires Materials Research Innovations, 2024 (год публикации - 2024)
10.1080/14328917.2024.2347027

19. Гончар К.А., Назаровская Д.А., Домнин П.А., Гюппенен О.Д., Ерохина А.А., Ван М., Циняйкин И.И., Ермолаева С.А., Осминкина Л.А. Диагностика бактерий с помощью кремниевых нанонитей Ломоносовские чтения 2024, Ломоносовские чтения 2024, 28 марта-3 апреля 2024, Москва, Россия, МГУ имени М.В. Ломоносова, секция "Физика", подсекция "Медицинская физика", с. 190-192. (год публикации - 2024)

20. Ван М., Назаровская Д.А., Домнин П.А., Ерохина А.А., Циняйкин И.И., Гончар К.А., Осминкина Л.А. Бимодальный оптический сенсор на основе декорированных золотом кремниевых нанонитей для диагностики бактерий XXXI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2024», XXXI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2024», 12 – 26 апреля 2024; Москва, Россия, МГУ имени М.В. Ломоносова, секция «Физика», подсекция «Медицинская физика», с. *** (год публикации - 2024)

21. Ерохина А.А., Назаровская Д.А., Гюппенен О.Д., Домнин П.А., Циняйкин И.И., Ермолаева С.А., Гончар К.А., Осминкина Л.А. Композитные наноструктуры на основе декорированных наночастицами серебра и золота кремниевых нанонитей для диагностики бактерий XXXI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2024», XXXI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2024», 12 – 26 апреля 2024; Москва, Россия, МГУ имени М.В. Ломоносова, секция «Физика», подсекция «Медицинская физика», с. *** (год публикации - 2024)

22. Рачишена П.А., Ван М., Осминкина Л.А., Гончар К.А. Кремниевые нанонити в качестве интерференционного оптического сенсора для биомедицины XXXI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2024», XXXI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2024», 12 – 26 апреля 2024; Москва, Россия, МГУ имени М.В. Ломоносова, секция «Физика», подсекция «Медицинская физика», с. *** (год публикации - 2024)

23. Ван М., Назаровская Д.А., Домнин П.А., Ерохина А.А., Циняйкин И.И., Гончар К.А., Осминкина Л.А. Оптический интерференционной сенсор на основе декорированных золотом кремниевых нанонитей для диагностики бактерий 66-я Всероссийская научная конференция МФТИ, 66-я Всероссийская научная конференция МФТИ, 23-29 ноября 2020, Москва, Россия, МФТИ, с. *** (год публикации - 2024)

24. Ерохина А.А., Назаровская Д.А., Гюппенен О.Д., Домнин П.А., Циняйкин И.И., Ермолаева С.А., Гончар К.А., Осминкина Л.А. Разработка композитных наноструктур кремний/золото/серебро для диагностики бактерий методом гигантского комбинационного рассеяния 66-я Всероссийская научная конференция МФТИ, 66-я Всероссийская научная конференция МФТИ, 1-6 апреля 2024, Москва, Россия, МФТИ, с. *** (год публикации - 2024)

25. Гончар К.А., Назаровская Д.А., Домнин П.А., Гюппенен О.Д., Ерохина А.А., Ван М., Циняйкин И.И., Ермолаева С.А., Осминкина Л.А. Integrating Fabry-Perot interference and surface-enhanced Raman scattering for bimodal optical bacteria sensing using au/ag-decorated porous silicon nanowires 13th International conference Porous semiconductors-science and technology, 13th International conference Porous semiconductors-science and technology, 28 april -2 may 2024, Brno, Czech Republic, 08-P-12/1334, pp. *** (год публикации - 2024)

26. Назаровская Д., Домнин П., Гюппенен О., Циняйкин И., Ермолаева С., Гончар К., Осминкина Л. Rapid bacteria antibiotic susceptibility testing using AuAg@pSiNWs surface-enhanced Raman scattering substrates 13th International conference Porous semiconductors-science and technology, 13th International conference Porous semiconductors-science and technology, 28 april -2 may 2024, Brno, Czech Republic, 08-P-13/1328, pp. *** (год публикации - 2024)

27. Гончар К.А., Назаровская Д.А., Домнин П.А., Гюппенен О.Д., Ерохина А.А., Ван М, Циняйкин И.И., Ермолаева С.А., Осминкина Л.А. Двухрежимный оптический сенсор на основе кремниевых нанонитей для детектирования бактерий Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская фотоника — 2024», Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская фотоника — 2024», 16-20 сентября 2024, Красноярск, Россия, Сибирский федеральный университет, секция «Биофотоника», с. 100-101. (год публикации - 2024)

28. Гончар К.А. Optical properties of silicon nanowires for sensor applications The 31st international conference advanced laser technologies (ALT 2024), The 31st international conference advanced laser technologies (ALT 2024), 23-27 september 2024, Vladivostok, Russia, Far Eastern Federal University, section «Laser diagnostics and spectroscopy», p. 158. (год публикации - 2024)

29. Назаровская Д.А., Домнин П.А., Гюппенен О.Д., Циняйкин И.И., Ермолаева С.А., Гончар К.А., Осминкина Л.А. Bimetallic AuAg-coated porous silicon nanowire platform for rapid SERS-based antibiotic susceptibility testing Results in Surfaces and Interfaces, Results in Surfaces and Interfaces, 19, p. 100524 (2025) (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1016/j.rsurfi.2025.100524

30. Ван М., Назаровская Д.А., Домнин П.А., Рачишена П.А., Циняйкин И.И.，Гончар К.А., Ермолаева С.А., Осминкина Л.А. Диагностика бактерий Escherichia coli с помощью интерференции Фабри-Перо в различных кремниевых наноструктурах XXXII Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2025», XXXII Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2025», 11 – 25 апреля 2024; Москва, Россия, МГУ имени М.В. Ломоносова, секция «Физика», подсекция «Медицинская физика» (год публикации - 2025)

31. Гончар К.А., Саушкин Н.Ю., Самсонова Ж.В., Осминкина Л.А. Кремниевые нанонити, модифицированные наночастицами Au/Ag, для безметочной диагностики онкомаркеров ПСА методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния Конденсированные среды и межфазные границы (год публикации - 2026)

32. Собина И., Ерохина А., Циняйкин И., Гончар К., Боравлева Е., Самсонова Ж., Осминкина Л. Silicon nanowires uniformly decorated with Au nanoparticles for SERS detection of viruses The 31st international conference advanced laser technologies (ALT 2024), The 31st international conference advanced laser technologies (ALT 2024), 23-27 september 2024, Vladivostok, Russia, Far Eastern Federal University, section «Laser diagnostics and spectroscopy», p. 175. (год публикации - 2024)

33. Гончар К.А. Сенсоры на основе кремниевых наноструктур для детектирования вирусов и бактерий Четвертая всероссийская молодежная конференция «Высокоточная диагностика функциональных материалов: лабораторные и синхротронные исследования» (ВДФМ-2024), Четвертая всероссийская молодежная конференция «Высокоточная диагностика функциональных материалов: лабораторные и синхротронные исследования» (ВДФМ-2024), 30 сентября -5 октября 2024, г. Воронеж, Россия, ВГУ, с. 19. (год публикации - 2024)

34. Сумарокова М.В., Назаровская Д.А., Крюков Р.Н., Гончар К.А., Николичев Д.Е., Осминкина Л.А. Исследование растворения нанонитей и наночастиц кремния различных морфологий в буферных растворах при разных значениях pH Четвертая всероссийская молодежная конференция «Высокоточная диагностика функциональных материалов: лабораторные и синхротронные исследования» (ВДФМ-2024), Четвертая всероссийская молодежная конференция «Высокоточная диагностика функциональных материалов: лабораторные и синхротронные исследования» (ВДФМ-2024), 30 сентября -5 октября 2024, г. Воронеж, Россия, ВГУ, с. 200-201. (год публикации - 2024)

35. Ван М, Рачишена П.А., Назаровская Д.А., Домнин П.А., Циняйкин И.И., Ермолаева С.А., Осминкина Л.А., Гончар К.А. Диагностика бактерий с помощью интерференции Фабри-Перо в кремниевых наноструктурах различной морфологий Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская фотоника — 2024», Всероссийская научная конференция с международным участием «Енисейская фотоника — 2024», 16-20 сентября 2024, Красноярск, Россия, Сибирский федеральный университет, секция «Биофотоника», с. 127-128. (год публикации - 2024)

36. Ван М, Гончар К.А., Рачишена П.А., Назаровская Д.А., Домнин П.А., Циняйкин И.И., Ермолаева С.А., Осминкина Л.А. Diagnostics of bacteria using Fabry-Perot interference in silicon nanostructures of various morphologies The 31st international conference advanced laser technologies (ALT 2024), The 31st international conference advanced laser technologies (ALT 2024), 23-27 september 2024, Vladivostok, Russia, Far Eastern Federal University, section «Laser diagnostics and spectroscopy», p. 104. (год публикации - 2024)

37. Ван М., Рачишена П.А., Назаровская Д.А., Домнин П.А., Циняйкин И.И., Ефимова А.И., Ермолаева С.А., Осминкина Л.А., Гончар К.А. Diagnostics of Escherichia coli using Fabry-Perot interference in silicon nanostructures of various morphologies Журнал СФУ. Математика и физика (Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics), Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics, 17(6), pp. 798–807 (2024) (год публикации - 2024)

38. Ильин А.С., Мартышов М.Н., Гусев Д.В., Русаков Д.М., Назаровская Д.А., Домнин П.А., Ван М., Цинякийн И.И., Гончар К.А., Ермолаева С.А., Осминкина Л.А., Форм П.А. Resistive method for bacterial detection employing a silicon nanowire electrical chip Biotechnology and Bioengineering, Biotechnology and Bioengineering, 122(6), pp. 1554-1560 (2025) (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1002/bit.28955

39. Русаков Д.М., Гусев Д.В., Гончар К.А., Ильин А.С., Воронцов А.С. Исследование зависимости электрических свойств кремниевых нанонитей от проводимости кремниевой пластины Ученые записки физического факультета Московского Университета, Ученые записки физического факультета Московского Университета, 1, стр. 2510502 (2025) (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках третьего года выполнения проекта достигнуты ключевые научные результаты, соответствующие всем заявленным направлениям работ, в том числе: Разработан электрический сенсор для диагностики вирусов на основе кремниевых нанонитей (КНН), полученных методом металл-стимулированного химического травления (МСХТ). Поверхность КНН была функционализирована специфическими моноклональными антителами к гемагглютинину вируса гриппа A (H1N1). Для подтверждения специфичности связывания использовались конъюгаты фетуина с пероксидазой и контрольные пробы (PBS, BSA). Сенсор демонстрировал выраженный отклик при концентрации вируса от 50 мкг/мл с линейной зависимостью сигнала в области 0–50 мкг/мл. Проведена оценка стабильности биоселективного слоя - функциональная активность антител сохранялась в течение 1–2 месяцев при +4 °C. Полученные данные доказывают воспроизводимость и чувствительность электрического отклика при использовании наноструктур кремния в качестве ёмкостного элемента LC-контура. На основе ранее созданной проточной измерительной ячейки была разработана бимодальная система, обеспечивающая одновременный съём оптического и электрического сигнала от одного образца наноструктурированного кремния. В качестве оптической платформы использовались КНН, обладающие выраженными интерференционными свойствами в спектре полного отражения. При адсорбции вирусов гриппа A (H1N1) на поверхности функционализированных антителами КНН наблюдался сдвиг интерференционных полос, обусловленный изменением эффективного показателя преломления. Сдвиг интерференционного отклика (EOT) количественно оценивался методом быстрого преобразования Фурье (FFT). Было установлено, что даже при концентрациях вируса 10 мкг/мл регистрируется значимое изменение оптической толщины, что демонстрирует высокую чувствительность метода. Параллельно регистрировались частотные зависимости амплитуды сигнала LC-контура, включающего КНН как диэлектрическую ячейку. При увеличении концентрации вирусов наблюдался устойчивый сдвиг резонансной частоты в сторону понижения, что интерпретируется как рост ёмкости за счёт сорбции вирусов. Таким образом, в рамках одного устройства продемонстрирована возможность одновременной регистрации оптического и электрического сигнала, чувствительного к концентрации вируса, что подтверждает перспективность концепции бимодального сенсора. Разработана сенсорная платформа на основе подложек Ag@Si, представляющих собой кристаллический кремний, модифицированный серебряными наночастицами. Морфологический анализ (СЭМ) показал однородное покрытие наночастицами диаметром ~30 нм, соответствующее оптимальным условиям возбуждения локального плазмонного резонанса. С использованием конфокального рамановского спектрометра получены воспроизводимые сигналы ГКР от вирусов гриппа A субтипов H1N1 и H5N3, а также вируса болезни Ньюкасла (NDV). Для каждой подложки были зарегистрированы по 7 независимых спектров, что позволило оценить пространственную воспроизводимость сигнала. В спектрах обнаружены различия в интенсивности и позиции пиков, характерные для каждого вируса, что подтвердило возможность спектроскопической дифференциации. Спектры были дополнительно обработаны методом главных компонент (PCA), результаты которого продемонстрировали чёткое разделение кластеров по типу вируса (H5N3 и NDV), подтверждая селективность и перспективность безметочной идентификации патогенов по их рамановскому отпечатку. Проведена разработка сенсора для детекции бактерий Listeria innocua на основе массивов КНН с различными параметрами (различная проводимость подложки и два типа контактной геометрии: планарная и сэндвич). Получены ВАХ, демонстрирующие диодоподобные и нелинейные характеристики в зависимости от геометрии. Проведён спектроскопический анализ импеданса и частотной зависимости проводимости в диапазоне 5 Гц – 13 МГц. Установлено, что при концентрации бактерий 10^5–10^7 КОЕ/мл проводимость КНН увеличивается более чем в 10 раз. Наблюдается эффект насыщения при 10^7 КОЕ/мл, как в условиях постоянного, так и переменного тока. Построены годографы Найквиста, аппроксимированные с помощью эквивалентной схемы (R₁–[R₂||C]), отражающей изменение диэлектрических характеристик при адсорбции бактерий. Проведён морфологический анализ с помощью СЭМ, подтверждающий наличие адсорбированных бактерий на поверхности КНН при разных концентрациях. Продемонстрировано, что вклад кристаллической подложки в общую проводимость пренебрежимо мал, что подтверждает надёжность измерений. Полученные результаты полностью соответствуют запланированным целям и задачам, охватывая разработку как отдельных электрических и оптических сенсоров, так и интегрированных бимодальных платформ. Сенсорные системы продемонстрировали чувствительность к вирусной нагрузке на уровне 10–500 мкг/мл и к бактериальным клеткам на уровне 10^5 КОЕ/мл. Разработанные подходы открывают возможности для создания компактных безреагентных систем для молекулярной диагностики патогенов в медицине, санитарии и безопасности. По результатам работы подготовлены публикации в рецензируемых изданиях, материалы для патентования и оформлены научные иллюстрации. В рамках расширения задач проекта были проведены пилотные исследования по применению разработанных ГКР-активных подложек (AuAg@SiNWs) для идентификации наркотических и взрывчатых соединений в составе отпечатков пальцев. Это направление, не предусмотренное напрямую изначальным планом, показало высокую прикладную ценность для задач криминалистики и безопасности. Следует отметить, что заявленный план работ выполнен в полном объеме, все запланированные на текущий год результаты достигнуты. За три года по результатам работ написано 11 статей в рецензируемых журналах (8 статей опубликовано, 1 статья принята к публикации и 2 статьи находятся на рецензировании в журнале Письма в ЖЭТФ и Q1 ACS Applied Materials and Interfaces). За третий год работы по проекту сделаны 8 докладов на всероссийских и международных научных конференциях (из них 2 приглашённых доклада).

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разработанные в рамках проекта наноструктурированные сенсоры на основе пористого кремния и кремниевых нанонитей демонстрируют высокий потенциал для практического применения в здравоохранении, санитарно-эпидемиологическом контроле, пищевой промышленности, экологическом мониторинге и криминалистике. Созданные сенсорные платформы обеспечивают: • Быструю и безреагентную диагностику вирусов и бактерий, включая грипп A (H1N1), Listeria innocua и Escherichia coli, с высокой чувствительностью (от 10 мкг/мл для вирусов и 10⁵ КОЕ/мл для бактерий). Такие решения могут быть критически важны для своевременного выявления инфекций в клиниках, лабораториях и полевых условиях, в том числе в условиях эпидемий. • Экспрессный анализ антибиотикоустойчивости бактерий методом ГКР за 3 часа без использования культурных методов и реагентов, что делает технологию особенно перспективной для внедрения в практику клинической микробиологии и персонализированной медицины. • Создание компактных и недорогих бимодальных сенсоров (оптических и электрических), обеспечивающих взаимную верификацию сигнала и пригодных для интеграции в портативные устройства для экспресс-анализа. Такие сенсоры могут быть использованы в системах «умной медицины» и лабораториях на чипе (lab-on-a-chip). • Возможность применения в системе обеспечения безопасности, включая идентификацию микроследов наркотических и взрывчатых веществ в отпечатках пальцев. Разработанные сенсоры открывают новые возможности для судебной медицины, досмотровых и антитеррористических служб. В технологическом плане: • Разработаны масштабируемые и низкозатратные методы синтеза наноструктур кремния (электрохимическое травление, МСХТ), которые могут быть адаптированы под задачи промышленного производства сенсорных элементов. • Создана универсальная технология химической модификации наноструктур антителами, применимая к широкому спектру патогенов и биомаркеров. Результаты проекта формируют научно-технологический задел для создания отечественных диагностических платформ нового поколения, повышающих биобезопасность, улучшающих качество медицинской помощи и способствующих развитию импортонезависимых технологий в области сенсорики и биомониторинга.