Процессы взаимодействия биохимических комплексов с поверхностью пленки нанокристаллического оксида церия

Abstract

На основе теории связующих центров (site-binding theory) исследованы физико-химические процессы, которые происходят на поверхности пленки нанокристаллического оксида церия при взаимодействии с биохимическими комплексами. Проведены исследования ИСПТ (ионно-селективных полевых транзисторов) с диэлектриком на основе нанокристаллических пленок оксида церия для создания чувствительных, стабильных и надежных биосенсоров. Исследование проходных и выходных характеристик ИСПТ с разным типом диэлектрика (SiО2—Si3N4 и нанокристаллический CeOx) показало увеличение рН-чувствительности по току стока ИСПТ с CeOx- диэлектриком благодаря высокой плотности поверхностных чувствительных центров (до 1020 м−2 ), большому значению диэлектрической проницаемости (ε = 26) и ширины запрещенной зоны (3,6 эВ) оксида церия, что приводит к уменьшению токов потерь через диэлектрик. Показаны результаты применения ИСПТ с нанокристаллической пленкой CeOx в высокоспецифических иммунных биосенсорах токсичности, принцип действия которых базируется на изменении рН в результате образования иммунного комплекса между антителом и микотоксином.

На основі теорії зв’язувальних центрів (site-binding theory) досліджено фізико-хемічні процеси, що відбуваються на поверхні плівки нанокристалічного оксиду церію при взаємодії з біохемічними комплексами. Ви- конано дослідження ЙСПТ (йонно-селективних польових транзисторів) з діелектриком на основі нанокристалічних плівок оксиду церію для створення чутливих, стабільних і надійних біосенсорів. Дослідження прохідних та вихідних характеристик ЙСПТ з різним типом діелектрика (SiO2— Si3N4 та нанокристалічний CeOх) показало збільшення рН-чутливости за струмом стікання ЙСПТ з CeOх-діелектриком завдяки високій густині поверхневих чутливих центрів (до 1020 м−2 ), високим значенням діелектричної проникности (ε = 26) та ширини забороненої зони (3,6 еВ) оксиду церію, що призводить до зменшення струмів втрат через діелектрик. Показано результати застосування ЙСПТ з нанокристалічною плівкою CeOх у високоспецифічних імунних біосенсорах токсичности, принцип дії яких базується на зміні рН в результаті утворення імунного комплексу між антитілом та мікотоксином.

Physical and chemical processes, which take place on the surface of nanocrystalline cerium-oxide thin film during interaction with biochemical complexes, are studied using site-binding theory. Ion selective field effect transistors (ISFETs) with the nanocrystalline CeOх dielectric layer are investigated for the creation of sensitive, stable, and reliable biosensors. Investigation of transfer and output parameters of ISFETs with different types of the dielectric layer (SiO2—Si3N4 and CeOх) shows an increase in pH-sensitivity by drain current of ISFET with CeOх dielectric layer caused by high density of the sensitive sites on the CeOх surface (up to 1020 m−2 ), high dielectric constant (ε = 26) and energy gap (3.6 eV) of cerium oxide with a consequent reduction of loss current through dielectric. The results of application of the ISFETs with CeOх nanocrystalline film in highly-specialized immune biosensors for toxicity determination are presented. Operating principle of such sensors is based on PH change as a result of formation of immune complex between antibody and micotoxin.