Russische onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology hebben biosensorchips ontwikkeld met een ongekende gevoeligheid op basis van koper in plaats van goud. Behalve dat het apparaat wat goedkoper is, deze innovatie zal het productieproces vergemakkelijken. De onderzoeksresultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Langmuir .

Biosensorchips worden door farmaceutische bedrijven gebruikt om medicijnen te ontwikkelen. Deze chips zijn ook onmisbaar voor het bestuderen van de kinetiek van moleculaire interacties. Verder, ze kunnen dienen als basis voor chemische analysatoren die worden gebruikt om moleculaire markers van ziekten te vinden en om gevaarlijke stoffen in voedsel of het milieu op te sporen, inclusief lekken uit chemische fabrieken, onder andere.

Het Russische onderzoeksteam van het Laboratory of Nanooptics and Plasmonics van MIPT's Center for Photonics and 2-D Materials heeft een sensorchip ontwikkeld op basis van onconventionele materialen:koper en grafeenoxide. Als resultaat, hun apparaat bereikt een ongeëvenaarde gevoeligheid. De configuratie is meestal standaard, en daarom compatibel met bestaande commerciële biosensoren zoals die van Biacore, Reichert, BioNavis en BiOptix.

"Onze technische oplossing is een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van biologische sensoren op basis van fotonische en elektronische technologie, " zegt Valentin Volkov, hoogleraar aan de Universiteit van Zuid-Denemarken, die ook aan het hoofd staat van het Laboratorium voor Nanooptica en Plasmonics bij MIPT. "Door te vertrouwen op standaard productietechnologieën en koper te combineren met grafeenoxide - een materiaal met een groot potentieel - bereiken we een aantoonbaar hoge efficiëntie. Dit opent nieuwe wegen voor de ontwikkeling van biosensoren."

Het meest gebruikte materiaal in de opto-elektronica en fotonica is goud. Bijna alle commerciële biosensorchips bevatten gouden films van enkele tientallen nanometers dik - een nanometer is een miljardste van een meter. De reden waarom goud zo alomtegenwoordig is, is dat het uitstekende optische eigenschappen heeft en chemisch zeer stabiel is. Maar goud is niet perfect - het is duur - meer dan 25 keer zo duur als koper met een hoge zuiverheid. En goud is onverenigbaar met de industriële processen die worden gebruikt voor de productie van micro-elektronica, wat het potentieel voor toepassing in massaproductie van apparaten ernstig beperkt.

In tegenstelling tot goud, koper heeft deze gebreken niet. De optische eigenschappen zijn vergelijkbaar met die van goud. Koper wordt gebruikt als elektrische geleider in de micro-elektronica. Echter, het lijdt aan oxidatie, of corrosie, en is daarom niet gebruikt in biochips. Nutsvoorzieningen, MIPT-onderzoekers hebben dit probleem opgelost door het metaal te bedekken met een diëlektrische laag van 10 nanometer. Naast het voorkomen van oxidatie, dit veranderde de optische eigenschappen van de chip, waardoor het gevoeliger wordt.

Om hun biosensorontwerp verder te verfijnen, de auteurs voegden een grafeenoxidelaag toe bovenop de koper- en diëlektrische films, ongekende gevoeligheid mogelijk maken. Dit derde materiaal werd oorspronkelijk in 1859 verkregen als grafietoxide door Benjamin C. Brodie Jr., professor aan de Universiteit van Oxford, een bekende Engelse chemicus. Later, grafeenoxide beleefde een soort opleving na de ontdekking van grafeen - het eerste bekende tweedimensionale materiaal - door de in Rusland geboren natuurkundigen van de Universiteit van Manchester en MIPT-afgestudeerden Andre Geim en Konstantin Novoselov. Het werk aan grafeen leverde hen in 2010 de Nobelprijs voor de natuurkunde op. Grafeenoxide kan worden gevisualiseerd als grafeen - een eendimensionale laag koolstofatomen gebonden in een honingraatrangschikking met zuurstofbevattende groepen die aan enkele van de koolstofatomen bungelen. Deze groepen zorgen voor een koppeling tussen het apparaatoppervlak en de eiwitmoleculen die worden geanalyseerd. In een eerdere studie, de auteurs gebruikten grafeenoxide om de gevoeligheid van standaard op goud gebaseerde biosensoren te verhogen. Het materiaal bleek ook gunstig te zijn voor koperen sensoren.

Het vervangen van goud door koper maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van compacte biosensing-apparaten die in smartphones kunnen worden geïmplementeerd, draagbare gadgets, draagbare apparaten, en slimme kleding, omdat op koper gebaseerde chips compatibel zijn met conventionele micro-elektronicatechnologie. wereldwijd, wetenschappers en giganten uit de elektronica-industrie, zoals IBM en Samsung, steken veel energie in het maken van compacte biosensoren die kunnen worden ingebouwd in elektronische apparaten, analoog aan de huidige nano- en micro-elektromechanische versnellingsmeters en gyroscopen. Het is moeilijk om de impact die biosensoren zouden hebben te overschatten - apparaten zouden een nieuw zintuig krijgen. En dit is niet alleen een metafoor:grote bedrijven werken aan technologieën om AI, intelligente gadgets, en bio-interfaces die zouden dienen als bemiddelaars tussen het menselijk brein en computers. Een combinatie van deze technologieën zou kunnen leiden tot echte cybernetische organismen.

"Het is bekend dat koper gevoelig is voor de corrosieve invloed van de omgeving. We hebben aangetoond dat beschermende diëlektrische films van slechts tientallen nanometers dik meer doen dan alleen oxidatie voorkomen - in sommige gevallen, ze verhogen de gevoeligheid van de biosensor, " zegt Joeri Stebunov, de hoofdauteur van de paper en mede-oprichter en CEO van GrapheneTek LLC. "We zien niet puur fundamenteel onderzoek als de eindbestemming. Onze oplossing zal voor het einde van het jaar beschikbaar zijn voor potentiële klanten. De technologieën die in dit onderzoek worden voorgesteld, kunnen worden gebruikt om miniatuursensoren en neurale interfaces te maken, en daar zijn we nu mee bezig."