Компании Infineon Technologies и MetriGenix разработали биочип FlowThru (FTC) на основе пористого кремния, который дает возможность выполнять анализ биологических материалов, используя при этом ничтожно малые количества вещества.
Кристалл состоит из миниатюрных камер, сформированных в кремнии. В них помещаются образцы исследуемого биологического вещества. Одновременно можно выполнять сотни и даже тысячи анализов.
В отличие от обычных подобных устройств, у которых чувствительные элементы составляют двумерную поверхность, в новом приборе они выполнены в виде трехмерного массива микроканалов.
FTC сделан из кремния, а не из стекла и имеет трехмерную, а не плоскую структуру из тончайших микроканалов, которые идут от поверхности внутрь прибора. Благодаря специальному процессу травления удается сформировать на 1 см2 кристалла около 1 млн. таких каналов диаметром в 10 мкм.
Примерно 100 таких каналов требуется для анализа молекулы одного типа, причем одновременно выполняется анализ от 100 до 400 молекул, которыми обычно бывают части гена.
Особенность FTC технологи состоит в том, что исследуемые молекулы и реагенты многократно прокачиваются через микроканалы в кристалле, в результате чего скорость гибридизации молекул ДНК многократно ускоряется, так как более не зависит от медленной диффузии молекул в реагенте, что имеет место в планарных микросхемах.
Анализ выполняется в несколько шагов. Сначала на группах микроканалов помещаются заранее известные последовательности ДНК, которые связываются со стенками каналов. Затем маркированные биотином исследуемые образцы многократно прокачиваются через каналы туда и обратно.
Этот процесс и называется процедурой прокачки (flow-thru). При этом только образцы, совпадающие с известными участками ДНК, закрепившимися на стенках каналов, связываются с ними, а не совпадающие — вымываются из них.
Сам анализ выполняется при помощи хромолюминесценции. Она выполняется таким образом: в кристалл добавляется энзим, который отрывает биотин от образцов, в результате чего генерируется световой сигналы.
Они регистрируются фотоприемником на приборах с зарядовой связью (ПЗС) и считываются компьютером, в результате чего получается матрица из светящихся и темных точек. Анализ их распределения позволяет определить, что за отрезки ДНК были в исходном материале.
Преимущества технологии FTC вытекают из высокой степени связывания образцов со стенками каналов, их большой площади и большого отношения сигнал/шум. Применение систем на новых кристаллах, позволит ускорить анализы активных субстанций и удешевить разработку лекарств.
Уже выпущена система 4D, FTC-биочипы, системы гибридизации и анализа, а также программы управления и оценки результатов. Кристаллы помещены в корпус, через который подаются образцы и реагенты.
Кроме того, исследовательское отделение компании Infineon продемонстрировало биочип Neuro-Chip для анализа деятельности клеток которые могут регистрировать сигналы от живых нервных клеток, например от отдельных нейронов без проникновения в них, что позволят сделать существенный шаг вперед в изучении функций мозга и распространения нервных сигналов.
Пространственное разрешение новой микросхемы и плотность размещения чувствительных элементов повышено на порядок по сравнению с существующими в настоящее время приборами. Кроме FTC чипов компания Infineon разработала Neuro-чипы,
Кристалл размером около четверти квадратного сантиметра содержит 128 х128 миниатюрных датчиков диаметром от 100 до 250 мкм, декодеров строк и столбцов, усилителей сигналов и драйверов вывода данных.
Плотность размещения датчиков более чем в 300 раз превышает плотность их размещения в конкурирующих приборах, использующих, например, металлические контакты на стекле для подключения к нервным клеткам.
Декодер столбцов периодически выбирает одни из 128 столбцов массива. Каждая из 128 строк соединена с усилителем считывания, выходы которых в свою очередь подключены к выходным драйверам через 16 мультиплексоров. 16 драйверов вывода выдают ток, направляемый в преобразователи ток—напряжение, расположенные на внешней печатной плате. И, наконец, выходные напряжения через буфера передаются через 16 аналогоцифровых преобразователей в измерительную систему ПК для обработки.
Размер Neuro-Chip, включая схемы для усиления сигналов и площадки для контактов составляет 5,2 x 6,5 мм. В производстве используется стандартная КМОП-технология, но с несколькими дополнительными операциями для формирования емкостных датчиков считывания сигналов с клеток.
Основная трудность состояла в разработке усилителей, которые должны усиливать очень малые сигналы, генерируемые клетками. В зависимость от типа клетки, пиковое напряжение составляет от 5 до 100 мВ. Для измерения таких малых сигналов с плотного массива датчиков специально для этого кристалла была разработана технология их калибровки.
А. Л.
