Біомолекулярні і хімічні сенсори на основі кремнієвих польових структур

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorКутова, Оксана Юріївна
dc.date.accessioned2019-04-18T15:36:03Z
dc.date.available2019-04-18T15:36:03Z
dc.date.issued2019
dc.description.abstractenThis work is dedicated to learning in complex, analyzing the characteristics of sensor’s structures based on silicon field effect structures, improving the methods of analysis and fabrication of such structures for chemical and biomolecular compounds detections. In this thesis important scientific and technical task was solved–a number of detection methods have been improved; sensor’s structures based on silicon field effect structures for chemical and biomolecular compounds detections based on new technologies and nanomaterials were developed. Also, advantages in sensitivity, speed, selectivity, performance and constructions comparing to known sensors’ analogues were proved. The scope of usage was analyzed and the necessity of development of new biochemical sensors based on Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor (MOSFET) and Ion-Sensitive Field-Effect Transistor (ISFET) –structures, for analysis of human blood and physiological solutions was shown. Several sensors modifications based on silicon field effect structures for the detection of aqueous solutions of organic (C-reactive protein, beta-lactoglobulin) and inorganic medium (H2O2, NaCl) was proposed in this manuscript. Also,pH-sensorwas proposed. The structure and selection of the gate dielectric for the production of a biosensor based on a n-type field-effect transistor (FET) were described. The results of sencitivity of pH sensors based on CеО2 and SiO2 gate dielectric are presented. The advantages to use the СeО2 for biological and chemical applications have been substantiated. To create a pH sensor, aMOSFET transistor with a subgate dielectric CeO2 was used. The pH sensitivity of the sensor was practically close to the maximum possible –58.5 mV/pH, and the stability of the results was ~ 98.65%. The technique of measuring the pH level in the solution, using the microflow systemthat provides a stable volume of the analyte and excludes its reduction due to evaporation, has been improved. The possibility of detection of different levels of salt concentration (NaCl) as the main component of the physiological solution has been checked.Based on those positive results, the structure of the sensor with nanomaterials for the detection of the above-mentioned liquids in biological systems was improved. The possibility ofdetection of different levels of salt concentration (NaCl) as the main component of the physiological solution has been checked.Based on those positive results, the structure of the sensor with nanomaterials for the detection of the above-mentioned liquids in biological systems was improved. The sensor was developed and investigated using the modern nanomaterials, namely, porous silicon and nanoparticles. The analytical model of the sensor with quantum dots located in the near-surface area of the semiconductor between the drain and the source was improved. In the mathematical model, the influence of the quantum dots into transistor was described by taking into account the additional charge and reducing the effect of the scattering phonon mechanisms on the charge carriers motion in the transistor channel. It has been shown theoretically that the structure with quantum dots (QDs) has a sensitivity of 0.1 μA /V, and without QDs it is 0.05 μA /V. The simulation results showed the possibility of a practical implementation of the prototype of a sensor with metal nanoparticles on the sensitive layer, in particular, for detecting hydrogen peroxide. For the H2O2 sensor,the rear side of MOSFETin combination with the hydrogen peroxide catalystwas usedasa working area The use of a porous structure (was formed by metal-assisted chemical etching) in combination with Pt nanoparticles, as a catalysts of H2O2,has allowed to increase sensitivity of the sensor by almost 30%. For the first time, a multilayer structure for the C-reactive protein detection was proposed, using a sensor based on the CeO2ISFET as a sudgate dielectric.The surface of the sensor was chemically modified by the streptavidin-antibody complex, capable of biochemical binding of the antigen to the antibody. The chemical reaction of forming an antigen-antibody complex resulted in a change in the electric field near the gate dielectric and it caused a change in the output current of the sensor. Using a variety of spectroscopy methods, the structure of the layer formed on the surface was studied.The developed sensor hasthe limit of detection at 0.1 mg/L and the sensitivity at 290 mV/(mg/L). For this analysis only 20 μl of the reagent and about 1 min of time areneeded. To increase the sensitivity the additional buffer layer, melanin,was used. Such layer increased the sensor sensitivity by almost 61%.The developed sensor showed good stability in work for 30 days. Another feature of this sensor is the ability to work with real samples -plasma, the measurement error is only 18% comparing to theenzyme-linked immunosorbent assay. Such results are the basis for using the sensor in real clinical trials, particularly for screening trials. Sensor’s structure with cerium dioxide gate dielectric with improving detection method for the dynamic investigation of beta-lactoglobulin, the main milk allergen, was proposed and developed. The existing method requiresa longtime(~1,5 hours), and the proposed method allows identifying the presence of beta-lactoglobulin in just a few minutes. The future perspectives of widespread usage of developedprototypes of biochemical sensors CRP, beta-lactoglobulin, pH and H2O2 in medical trials and for biochemical investigations were shown.en
dc.description.abstractruДиссертация посвящена комплексному изучению и анализу характеристик, усовершенствованию методов анализа и разработке сенсорных устройств на базе кремниевых полевых структур для детектирование химических и биомолекулярных соединений. Предложено несколько модификаций сенсоров на основе кремниевых полевых структур для детектирования водных растворов органического (С-реактивный белок, бета-лактоглобулин) и неорганического происхождения (Н2О2, NaCl) и определения уровня рН. Для создания сенсора рН было использовано полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор) с подзатворным диэлектриком СеО2 и установлено чувствительность разработанного сенсора на уровне - 58,5 мВ/рН, а стабильность результатов ~ 98,65%. Для сенсора Н2О2 в качестве рабочей поверхности использовалась тыльная сторона МДП-транзистора с пористым кремнием с наночастицами Pt, как катализатора перекиси водорода, что позволило повысить его чувствительность почти на 30%. Впервые предложена многослойная структура для детектирования С-реактивного белка, используя сенсор на базе ионоселективного полевого транзистора с СеО2 в качестве подзатворного диэлектрика и установлен порог детектирования на уровне 0,1 мг/л, чувствительность 290 мВ/(мг/л), а для исследования необходимость только 20 мкл реагента и около 1 минуты времени. Предложено сенсор с нанокристаллическим СеО2 с усовершенствованой методикой измерения для динамического анализа бета-лактоглобулина, который позволяет идентифицировать его наличие всего за несколько минут.ru
dc.description.abstractukДисертаційна робота присвячена комплексному вивченню, аналізу характеристик, удосконаленню методів аналізу та розробленню сенсорних пристроїв на основі кремнієвих польових структур для детектування хімічних та біомолекулярних сполук. Запропоновано кілька модифікацій сенсорів на основі кремнієвих польових структур для детектування водних розчинів органічного (С-реактивний білок, бета-лактоглобулін) та неорганічного походження (Н2О2, NaCl) та визначення рівня рН. Для створення сенсора рН використано МДН-транзистор з підзатворним діелектриком СеО2. Удосконалено методику вимірюваннярівня рН та встановлено чутливість розробленого сенсорана рівні 58,5 мВ/рН, а стабільність результатів ~98,65%.Длясенсора Н2О2у якості робочої поверхні використано тильну сторону МДН-транзистораз пористим кремнієм та наночастинкамиРt, як каталізатора перекису водню, щодозволилопідвищити його чутливість майже на 30%. Вперше запропоновано багатошарову структуру для детектування С-реактивного білка, використовуючи сенсор на базі ІСПТ з СеО2у якості підзатворного діелектрикатавстановлено поріг детектування на рівні 0,1 мг/л,чутливість 290 мВ/(мг/л), а для дослідження необхідністьлише 20 мкл реагенту та близько 1 хв. часу. Запропонованосенсор з нанокристалічним СеО2з удосконаленою методикою вимірювання для динамічного аналізу білка бета-лактоглобулінута ідентифікувати його наявність всього лише за кілька хвилин.uk
dc.format.page23 с.uk
dc.identifier.citationКутова, О. Ю. Біомолекулярні і хімічні сенсори на основі кремнієвих польових структур : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.11.17 - Біологічні та медичні прилади і системи / Кутова Оксана Юріївна. – Київ, 2019. – 23 с.uk
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/27288
dc.language.isoukuk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорськогоuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.subjectшвидкодіяuk
dc.subjectчутливістьuk
dc.subjectпоріг детектуванняuk
dc.subjectпористий кремнійuk
dc.subjectнаночастинкиuk
dc.subjectнаноматеріалиuk
dc.subjectмікроскопіяuk
dc.subjectкремній n–типуuk
dc.subjectбіосенсорuk
dc.subjectspeeden
dc.subjectsensitivityen
dc.subjectporous siliconen
dc.subjectn-type Sien
dc.subjectnanoparticlesen
dc.subjectmicroscopyen
dc.subjectlimit of detectionen
dc.subjectbiosensoren
dc.subjectчувствительностьru
dc.subjectпорог детектированияru
dc.subjectнаночастицыru
dc.subjectнаноматериалыru
dc.subjectпористый кремнийru
dc.subjectмикроскопияru
dc.subjectкремний n-типаru
dc.subjectбиосенсорru
dc.subjectбыстродействиеru
dc.subject.udc602.1:53.082.9]:616-71/.-78](043.3)uk
dc.titleБіомолекулярні і хімічні сенсори на основі кремнієвих польових структурuk
dc.typeThesisuk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Kutova_aref.pdf
Розмір:
2.08 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
9.1 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Автореферати (ЕІ)
Автореферати (вільний доступ)