|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Изучение взаимодействия вирионов гриппа с поверхностью кремниевых наноструктур для экспресс диагностики вирусных инфекцийНИР
The study of the interaction of influenza virions with the surface of silicon nanostructures for rapid diagnosis of viral infections
- Руководитель НИР: Осминкина Л.А.
- Ответственные исполнители: Гамбарян А.С., Гонгальский М.Б.
- Участники НИР: Агафилушкина С.Н., Гвинджилия Г.З., Гончар К.А., Кропоткина Е.А., Кудрявцев А.А., Самсонова Ж.В., Саушкин Н.Ю., Тамаров К.П., Цурикова У.А.
- Подразделение: Физический факультет
- Срок исполнения: 10 мая 2017 г. - 31 декабря 2019 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 17-12-01386
- Тип: Разработка
- Приоритетное направление научных исследований: Индустрия наносистем и материалов
- ПН России: Индустрия наносистем
- Направление технологического прорыва России: Медицинские технологии и лекарственные средства
-
Рубрики ГРНТИ:
- 29.19.22 Физика наноструктур. Низкоразмерные структуры. Мезоскопические структуры
- 34.25.39 Вопросы экологии и эпидемиология вирусов
-
Ключевые слова:
грипп, респираторные вирусы, сенсоры, вирусы
respiratory viruses, viruses, nanotechnology, flu, sensors -
Описание:
Ввиду постоянного роста числа вирусных респираторных заболеваний, в особенности среди школьников и детей, отсутствия специфических лекарств и, как следствие, вызываемого значительного социально-экономического ущерба, встает острый вопрос о разработке новых методов ранней экспресс диагностики и контроля распространения вирусных заболеваний, резистентных к терапии. Проект направлен на изучение взаимодействия вирионов гриппа с поверхностью кремниевых наноструктур с целью создания высокочувствительного сенсора вирусов гриппа. Чувствительным элементом сенсора будут являться слои кремниевых нанонитей (КНН), которые предлагается изготавливать методом электрохимического, металл-стимулированного химического травления (МСХТ), пластин кристаллического кремния заданного уровня легирования, а также сочетанием двух методов получения образцов (электрохимическое травление, а затем МСХТ). Отработка указанных методов изготовления образцов позволит достаточно легко, дешево и воспроизводимо получать образцы, обладающие заданными структурными, электронными и оптическими свойствами и удельной площадью поверхности более 400 м2/г, что делает их высокочувствительными в сенсорных и сорбционных применениях. Ранее авторами проекта было обнаружено неспецифическое связывание ряда оболочечных, в том числе респираторных, вирусов с кремниевыми наночастицами. Проведенные микроскопические и биологические эксперименты подтвердили эффективность сенсорных и сорбционных свойств образцов КНН. В настоящей работе будет проводится изучение структурных и электрических свойств образцов КНН и изучение влияния этих свойств на эффективность связывания вирионов гриппа с их поверхностью; будут найдены условия максимальной чувствительности электрических свойств сенсора на основе КНН, при этом специфичность взаимодействия наноструктур и вирионов будет достигаться путем функционализации поверхности КНН антителами к вирусам гриппа. Наличие опыта работы в представленной в заявке междисциплинарной научной группы как в направлении производства КНН и изучении их физико-химических свойств, так и в исследованиях вирусов гриппа, предполагает оптимальное достижение представленных в проекте задач.
-
Abstract:
Due to permanent increase in the number of viral respiratory diseases, especially among children, lack of specific medicines and caused significant social and economic damage, sharply rises the question about the development of new methods for early diagnosis and control of viral diseases that are resistant to therapy. The project is aimed to a study of the interaction of the influenza virions with the surface of the silicon nanostructures for rapid diagnosis of viral infections. The sensor element will be based on the layers of silicon nanowires (SiNWs), which will be produced by a method of electrochemical or metal-assisted chemical etching (MACE) crystalline silicon wafers with given doping level, as well as a combination of these two methods for samples obtaining (first electrochemical etching, and then MACE). Testing of these samples manufacturing methods allow easy, cheaply and accurately obtain samples with specified structural, electronic and optical properties and specific surface area more than 400 m2/g, which makes them highly sensitive to touch and sorption applications. Discovered by the authors of the project the nonspecific binding of a number of human viruses, including respiratory viruses, with silicon nanoparticles determines the efficiency of sensory and sorption properties of SiNWs. Carried out microscopic and biological experiments have confirmed the effectiveness of sensory and sorption properties of SiNWs. To further enhance the efficiency of binding and selectivity of the sensor response the surface of SiNWs will be achieved by functionalization with antibodies to viruses of influenza and other common viral respiratory infections. In this work will be carried out to study the structural and electrical properties of the samples of SiNWs and to study the influence of these properties on the effectiveness of the influenza virion binding to their surface; therefore, the conditions of maximum sensitivity of the sensor based on the SiNWs will be founded; the specificity of the interaction of nanostructures and virions will be achieved by functionalizing the SiNW’s surface with the antibodies to influenza viruses. Because of the experience of our interdisciplinary research group in the production of SiNWs and the study of their physico-chemical properties, and in studies of acute respiratory virus, suggests the optimal achievement of the presented tasks.
-
Планируемые результаты:
Посредством варьирования параметрами изготовления кремниевых наноструктур (различные методы или их сочетание) будут получены наноструктуры с различными структурными и электрическими свойствами. Будет изучено влияние структурных свойств кремниевых наноструктур на эффективность сорбции на их поверхность вирионов гриппа. Будет изучено влияние сорбции вирионов на изменение электрических свойств изготовленных образцов (изменение сопротивления наноструктур). Будет отработан метод покрытия исследуемых наноструктур кремния антителами специфичными к вирусу гриппа H1N1. Будут изучено неспецифическое и специфическое связывание вирусов гриппа с поверхностью кремниевых наноструктур. Впервые будет продемонстрирована возможность диагностики вирусов гриппа в воздухе и в жидкости при помощи чувствительного элемента на основе кремниевых наноструктур. Впервые будут получены образцы сенсоров на основе кремниевых нанонитей, обладающие быстродействием (время отклика не более 3 мин) и высокой чувствительностью (не хуже 10 вирионов в 1 см3 воздуха). Полученные научные результаты и разработанные основы технологии создания сенсоров для диагностики и контроля распространения гриппа внесут важный вклад в решение ключевых задач сохранения здоровья населения, особенно детей, а также снижения социально-экономического ущерба от вирусных заболеваний в России.
-
Научный задел:
В настоящее время авторским коллективом проекта накоплен большой опыт в получении и сенсорным и биомедицинским применениям наноструктур и наноматериалов. Всего руководителем работ (к.ф.м.н. Осминкина Л.А.) по данной тематике опубликовано 57 статей в реферируемых журналах, получено 4 патента РФ, сделано большое число докладов, в том числе ряд приглашенных докладов на международных конференциях.
-
Основные результаты:
Посредством варьирования параметрами изготовления кремниевых наноструктур (различные методы или их сочетание) будут получены наноструктуры с различными структурными и электрическими свойствами. Будет изучено влияние структурных свойств кремниевых наноструктур на эффективность сорбции на их поверхность вирионов гриппа. Будет изучено влияние сорбции вирионов на изменение электрических свойств изготовленных образцов (изменение сопротивления наноструктур). Будет отработан метод покрытия исследуемых наноструктур кремния антителами специфичными к вирусу гриппа H1N1. Будут изучено неспецифическое и специфическое связывание вирусов гриппа с поверхностью кремниевых наноструктур. Впервые будет продемонстрирована возможность диагностики вирусов гриппа в воздухе и в жидкости при помощи чувствительного элемента на основе кремниевых наноструктур. Впервые будут получены образцы сенсоров на основе кремниевых нанонитей, обладающие быстродействием (время отклика не более 3 мин) и высокой чувствительностью (не хуже 10 вирионов в 1 см3 воздуха). Полученные научные результаты и разработанные основы технологии создания сенсоров для диагностики и контроля распространения гриппа внесут важный вклад в решение ключевых задач сохранения здоровья населения, особенно детей, а также снижения социально-экономического ущерба от вирусных заболеваний в России.
- Добавил в систему: Осминкина Любовь Андреевна
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 10 мая 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Изучение взаимодействия вирионов гриппа с поверхностью кремниевых наноструктур для экспресс диагностики вирусных инфекций |
| Результаты этапа: 1) Изготовлены образцы кремниевых наноструктур в виде пленок пористого кремния (PSi), окисленных пленок пористого кремния (PSi-ox), массивов пористых кремниевых нанонитей (HD-SiNWs), массивов непористых кремниевых нанонитей (LD-SiNWs), пленок двойной пористости (DPSi). Были всесторонне исследованы структурные и физические свойства полученных образцов с помощью методов электронной микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС), инфракрасной спектроскопии и проч. Отметим, что в работе впервые был предложен метод изготовления слоев пористого кремния двойной пористости DPSi. 2) Показано, что образцы образцы DPSi и HD-SiNWs обладают эффективной фотолюминесценцией (ФЛ) в видимой области спектра, чувствительной к молекулярному окружению. Продемонстрирована возможность создания на их основе многоразовых оптических сенсоров. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pssa.201700565/full 3) Впервые предложен новый способ получения ФЛ HD-SINWs путем металл-стимулированного химического травления металлургического кремния, полученного из остатков производств пластин c-Si. Было показано, что полученные нанонити также характеризуются эффективной ФЛ в красной области спектра и могут найти свое применение для визуализации биообъектов. http://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1591/aa8c33/meta 4) Изучено неспецифическое связывание вирионов гриппа H1N1 с поверхностью полученных кремниевых наноструктур в сериях биологических и физических экспериментов. Доказано, что наилучшей неспецифической сорбцией вирионов обладают подложки кремниевых образцов с двойным пористым слоем DPSi. Впервые предложено и показана эффективность использования пленок DPSi в качестве оптических сенсоров на микробиологические объекты. http://jes.ecsdl.org/content/164/12/B581.short 5) Изучены цитотоксические свойства изготовленных образцов наноструктур кремния. Показано, что после автоклавирования наноструктур они становятся полностью биосовместимыми: живые клетки культивируются на их поверхности так же, как и на специально предназначенном для этого культуральном пластике. 6) Создана экспериментальная установка, позволяющая в режиме реального времени изучать сенсорный отклик от образцов наноструктур при их нахождении в воздушной среде с вирионами. 7) Разработан прототип сенсора на вирусы на основе DPSi. Произведен расчет электрической схемы детектирования вирусов. Проведено измерение импеданса разработанного сенсорного элемента, в том числе при неспецифической сорбции на его поверхность вирусов H1N1. Установлено четкое понижение адмиттанса/емкости сенсорного элемента примерно на 15%. на частоте 500 КГц при сорбции вирионов. Таким образом, в работе установлена чувствительность импеданс-отклика сенсорного элемента на основе DPSi к нахождению в воздушной среде с вирионами H1N1. | ||
| 2 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Изучение взаимодействия вирионов гриппа с поверхностью кремниевых наноструктур для экспресс диагностики вирусных инфекций |
| Результаты этапа: 1) Получены необходимые для проведения экспериментов образцы в достаточном количестве (более 1000 штук). Проверены свойства воспроизводимости структурных и оптических свойств от образца к образцу и от партии к партии. Установлено, что получаемые образцы пористого кремния двойной пористости (DPSi) обладают достаточно хорошей воспроизводимостью по данным микроскопии и оптической спектроскопии. 2) Проведены серии экспериментов для оценки быстроты отклика и чувствительности изготовленных сенсоров на основе кремниевых наноструктур методами электронной микроскопии, оптической спектроскопии и измерений импеданса электрического контура на основе DPSi. Показано, что частицы вирионов эффективно не специфически сорбируются из вирусосодержащей жидкости или из воздушного потока (с использованием разработанной на 1 году работы по проекту экспериментальной установки) на образцы кремниевых наноструктур, что подтверждается проделанными сериями физических и биологических экспериментов: согласно полученным микрофотографиям сканирующей (СЭМ) и просвечивающей (ПЭМ) замечено, что вирионы прикрепляются к пористой поверхности наноструктур, что объяснено Ван-Дер-Ваальсовым взаимодействием между пористыми наночатицами и развитой поверхностью вирионов. Подсчет титра вируса после взаимодействия с наноструктурами кремния также продемонстрировал падение титра на два порядка после неспецифического взаимодействия с наноструктурами кремния. Вместе с тем было выявлено, что после сорбции на поверхность наноструктур вирионов H1N1 наблюдается значительный сдвиг интерференционных полос в ИК спектрах образцов, что также свидетельствует о чувствительности оптических свойств образцов к наличию на их поверхности вирусных частиц. Показано, что наноструктуры кремния со слоем золота на поверхности, также могут быть использованы как оптические сенсоры, работающие на основе эффекта гигантского комбинационного рассеяния света (ГКР). Измерены импеданс-характеристики образцов DPSi. 3) Представлены измерения частотной зависимости импеданса и угла сдвига фаз при разных температурах образца DPSi. Показано, что в структурах наблюдается отрицательный сдвиг фаз, что говорит о ёмкостном характере реактивного сопротивления в DPSi и его слабой зависимость от температуры. Построенные из спектров годографы имеют переменный радиус, что говорит, о дополнительном RC-контуре в образцах. Таким образом, построена эквивалентная электрическая схема образца, которая представляет собой параллельно соединенные R и C. Проверена эффективность сорбции вирионов на поверхность разработанных сенсоров с помощью распыления аэрозоля с вирусными частицами; показано, что сенсорный отклик устанавливается за время около 1-2 минут, а чувствительность изготовленных сенсоров на основе кремниевых наноструктур достигает 10 вирионов на мл объема распылительной камеры. Эффективность сенсора проверена при их многоразовом (5 раз) использовании, установлено, что воспроизводимость результатов при промывке сенсорного элемента раствором этанола – не хуже 5%. 4) Собран электрический контур, где сигнал от сенсорной структуры передается бесконтактно на расстоянии 3 см за счет индуктивной связи со считывающим устройством. Показано, что результаты, полученные с помощью бесконтактного считывания аналогичны результатам, полученным с помощью прямого включения сенсорного элемента в цепь измерителя амплитудно-частотных характеристик. Представлена зависимость сенсорного отклика (сдвига резонансной частоты) в условных единицах от концентрации вирионов в объеме. 5) Проведены работы по функционализации поверхности кремниевых наноструктур специфическими белками, избирательно связывающими вирусы гриппа: антителами или рецепторными аналогами. Проведено исследование связывающей способности специфических антител к гемагглютинину Н1 вируса гриппа А с препаратом вируса гриппа H1N1: показано специфическое связывание моноклональные антитела с вирусом. Произведен выбор условий выявления вируса гриппа H1N1 в ходе иммунохимических реакций. Произведена иммобилизация антител на поверхности DPSi. Проведен ряд экспериментов по сорбции модельных пАт и целевых специфических мАт на поверхность DPSi с использованием подобранных в ИФА условий. Изучена ковалентная сорбция антител на поверхности пористого кремния посредством химической модификации поверхности: отмечено, что функционализация поверхности аминогруппами с последующим взаимодействием с глутаровым альдегидом для создания альдегидных групп для последующего взаимодействия с аминограппами антител приводит к более высокому аналитическому сигналу (оптической плотности) по сравнению с методикой, где не использовали стадию обработки глутаровым альдегидом. Проведено изучение стабильности иммобилизованных антител на поверхности DPSi при хранении: показано, что пластинки не теряют свойств при хранении в течение 7 суток при температуре 37оС считают эквивалентным хранению в течение года при 4оС, что является перспективным для создания на их основе сенсоров на вирусы. По результатам работ написано 4 статьи в рецензируемых высокорейтинговых журналах (две статьи опубликовано в Q1, две статьи находятся на стадии рецензирования в Q1); результаты одной статьи по работам проекта вынесены на обложку журнала Q1. Результаты работ представлены в 11 докладах на международных научных конференциях (5 устных и 6 постерных доклада); освещены в интервью в СМИ. К работам активно привлечены студенты и аспиранты. | ||
| 3 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Изучение взаимодействия вирионов гриппа с поверхностью кремниевых наноструктур для экспресс диагностики вирусных инфекций |
| Результаты этапа: | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".