Твердотельные нанопоры для исследования ионного транспорта и одиночных биологических объектов

На сегодняшний день многие болезни, считавшиеся еще полвека назад смертельно опасными, успешно излечиваются с помощью современных методов диагностики и терапии. В основе многих из них лежат передовые методики выявления патологии на ранней стадии развития с помощью биофизических методов анализа. Генетический анализ молекул-маркеров является ключевой технологией для определения заболеваний на ранней стадии. Среди современных методов определения малых концентраций биомолекул можно выделить иммуноферментный анализ, проточную цитометрии, ПЦР тестирование, севенирование и др. Определяя присутствие в организме тех или иных характерных участков молекул-маркеров, можно сделать вывод о наличие и форме заболевания. Одной из главных проблем данного подхода является ничтожно малые концентрации определяемых маркеров, вплоть до 5 молекул на 1 мл пробы.

Крайне перспективной системой для создания биосенсоров, а также секвенаторов нуклеиновых кислот нового поколения является твердотельная нанопора, размеры которой сопоставимы с исследуемой молекулой. Данный объект представляет собой наноразмерное отверстие, разделяющее 2 камеры с исследуемыми растворами. Суть детектирования и анализа биомолекул при данном подходе заключается в регистрации сверхмалых ионных токов, протекающих через пору. При этом в момент, когда в пору проникает молекула исследуемого аналита, величина тока изменяется характерным образом, по которому можно судить о присутствии или отсутствии изучаемых молекул в растворе, а также об их количестве. Кроме того, существует возможность фиксации молекул внутри поры и in situ наблюдения за изменением их состояния, при воздействии на них тех или иных агентов. Отличительной особенностью использования твердотельных нанопор в биосенсорике является работа с единичными молекулами. Немногие современные методы позволяют исследователям оперировать с отдельными молекулами или их частями.

Еще одним преимуществом применения твердотельных нанопор является возможность комбинации оптических и электрохимических методов анализа. Создавая гибридные структуры, содержащие нанопору и плазмонную наноантену возможно контролируемым образом влиять на транспорт ионов и молекул внутри поры, не разрушая при этом систему. Современные нанотехнологии позволяют формировать нанопоры диаметром всего несколько нанометров в подвешенной мембране SiNx. При этом с помощью методов электронной литографии возможно интегрировать плазмонную наноантенну в область поры таким образом, чтобы фокусировка электромагнитного поля происходила в непосредственной близости от поры.

Основной целью данного проекта является изучение и анализ транспортных свойств твердотельных нанопор в том числе при воздействии на них оптического излучения. Мы расскажем вам о физике и химии процессов ионного транспорта через наноразмерные поры и каналы. Реализовав наш проект - Вы научитесь разрабатывать кремниевые чипы с мембранами SiNx толщиной несколько десятков нм, формировать в них наноразмерные поры, анализировать их размер и изучать их транспортные свойства. Кроме того, Вы научитесь разрабатывать специальные жидкостные ячейки для исследования транспорта в порах.  

Проект включает в себя следующие этапы:
- Синтез подвешенных мембран SiNx, включающий в себя этапы литографии и постобработки;
- Электронная и оптическая микроскопия полученных наноструктур;
- Разработка модели и изготовление электрохимических ячеек для исследования ионного транспорта в нанопорах;
- Расчет и подготовка необходимых реагентов и растворов для исследования;
- Характеризация полученных нанопор электрохимическими методами;
- Обработка результатов эксперимента/подготовка презентации проекта.