¹ Institute of Biomedical Chemistry, Moscow, Russia;

² Foundation of Perspective Technologies and Novations, Moscow, Russia;

³ Skryabin Moscow State Academy of Veterinary Medicine and Biotechnology, Moscow, Russia;

⁴ Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia.

Abstract: Nowadays, nanobiosensors are being intensively developed due to the potential possibilities of their use for early diagnosis of diseases. This interest is enhanced by the fact that, as is known, a pathological process at an early stage is characterized by the appearance of marker proteins at very low (10^-15 M and lower) concentrations in blood. Highly-sensitive nanobiosensor systems (including those based on an atomic force microscope, AFM) allows one to detect proteins at such low concentrations. The influence of the charge generated in the analyte solution flowing through the biosensor injector into the measuring cell during measurements is considered to be an important factor conditioning such a high detection sensitivity. In the present study, it was demonstrated that the presence of an AFM chip (made of mica and graphite) near the nozzle of the injector supplying an analyte solution into the measuring cell of the AFM-based fishing system (AFM-based nanobiosensors) causes an increase in charge generation upon the injection of the solution. Moreover, the influence of polymer materials (which are widely used in nanobiosensors) and communications on charge generation in the flow-based section of AFM-based nanobiosensors was studied. A stimulating influence of a low (femtomolar) concentration of proteins on the charge generation in polymeric injectors of flow-based nanobiosensors was demonstrated. Besides, a stimulating influence of an external low-frequency AC electric field on the charge generation in the nanobiosensor injector was found. Measurements were carried out in the temperature range corresponding to the physiological temperature (35 ⁰C).

Keywords: atomic force microscopy; polymer surface; graphite; mica; protein fishing

Реферат

В настоящее время нанобиосенсорные приборы интенсивно развиваются в связи с потенциальными возможностями их использования для ранней диагностики заболеваний. Этот интерес связан с тем, что, как известно, патологический процесс на ранней стадии характеризуется появлением в крови маркерных белков с очень низкой концентрацией (С~10^-15М и ниже). Высокочувствительные нанобиосенсорные системы, в частности, на базе АСМ позволяют регистрировать такие низкие концентрации белков. В качестве одного из факторов такой высокой эффективности регистрации рассматривается важное влияние заряда, сгенерированного в растворе аналита, протекающего через инжектор биосенсора в измерительную ячейку при проведении измерений [1].

В представленной работе было продемонстрировано, что присутствие АСМ-чипа из слюды и графита вблизи наконечника инжектора для подачи аналита в измерительную ячейку АСМ – фишинг системы (АСМ – нанобиосенсоров) вызывает повышение эффекта генерации заряда при инжекции раствора. Кроме того, было проведено исследование стимулирующего влияния полимерных материалов и коммуникаций АСМ - нанобиосенсоров на генерацию заряда в проточной части аналитических систем, которые часто используются в нанобиосенсорах. Продемонстрировано возможное влияние белков фемтомолярной концентрации на стимуляцию генерации заряда в проточных биосенсорах. Кроме того, отмечено стимулирующее влияние внешнего низкочастотного переменного напряжения на генерацию заряда в инжекторе нанобиосенсора. Измерения были проведены в температурной области работы биосенсоров, соответствующей физиологической температуре при Т=35 ⁰С.

формате PDF (3330Кб)

Yuri D. Ivanov, Andrey F. Kozlov, Rafael A. Galiullin, Vadim Yu.Tatur, Nina D. Ivanova, Vadim S. Ziborov, Influence of chip materials on charge generation in flowing solution in nanobiosensor, Appl. Sci. 2019, 9, 671; doi:10.3390/app9040671