Chemici en ingenieurs aan de Harvard University hebben nanodraden omgevormd tot een nieuw type V-vormige transistor die klein genoeg is om te worden gebruikt voor gevoelige sonderen van het binnenste van cellen.

Het nieuwe apparaat, deze week beschreven in het journaal Wetenschap , is kleiner dan veel virussen en ongeveer een honderdste van de breedte van de sondes die nu worden gebruikt om cellulaire metingen te doen, die bijna net zo groot kunnen zijn als de cellen zelf. Zijn slankheid is een duidelijke verbetering ten opzichte van deze omvangrijkere sondes, die cellen kunnen beschadigen bij het inbrengen, het verminderen van de nauwkeurigheid of betrouwbaarheid van de verkregen gegevens.

"Ons gebruik van deze veldeffecttransistoren op nanoschaal, of nanoFET's, vertegenwoordigt de eerste totaal nieuwe benadering van intracellulaire studies in decennia, evenals de eerste meting van de binnenkant van een cel met een halfgeleiderapparaat, " zegt senior auteur Charles M. Lieber, de Mark Hyman, Jr. hoogleraar scheikunde aan Harvard. "De nanoFET's zijn het eerste nieuwe elektrische meetinstrument voor intracellulaire studies sinds de jaren zestig, in die tijd is de elektronica aanzienlijk verbeterd."

Lieber en collega's zeggen dat nanoFET's kunnen worden gebruikt om ionenflux of elektrische signalen in cellen te meten, vooral neuronen. De apparaten kunnen ook worden uitgerust met receptoren of liganden om de aanwezigheid van individuele biochemicaliën in een cel te onderzoeken.

Menselijke cellen kunnen in grootte variëren van ongeveer 10 micron (miljoensten van een meter) voor zenuwcellen tot 50 micron voor hartcellen. Terwijl huidige sondes tot 5 micron in diameter meten, nanoFET's zijn enkele ordes van grootte kleiner:minder dan 50 nanometer (miljardste van een meter) in totale grootte, met de nanodraadsonde zelf die slechts 15 nanometer in diameter meet.

Afgezien van hun kleine formaat, twee functies zorgen voor een gemakkelijke invoeging van nanoFET's in cellen. Eerst, Lieber en collega's ontdekten dat door de structuren te coaten met een fosfolipide dubbellaag - hetzelfde materiaal waar celmembranen van zijn gemaakt - de apparaten gemakkelijk in een cel kunnen worden getrokken via membraanfusie, een proces dat verwant is aan het proces dat wordt gebruikt om virussen en bacteriën op te slokken.

"Dit elimineert de noodzaak om de nanoFET's in een cel te duwen, omdat ze in wezen worden versmolten met het celmembraan door de eigen machinerie van de cel, " zegt Lieber. "Dit betekent ook dat het inbrengen van nanoFET's lang niet zo traumatisch is voor de cel als de huidige elektrische sondes. We ontdekten dat nanoFET's meerdere keren in een cel kunnen worden geplaatst en verwijderd zonder enige waarneembare schade aan de cel. We kunnen ze zelfs gebruiken om continu te meten wanneer het apparaat de cel binnenkomt en verlaat."

Ten tweede, het huidige artikel bouwt voort op eerder werk van Lieber's groep om driehoekige "stereocentra" te introduceren - in wezen, vaste 120º-verbindingen - in nanodraden, structuren die voorheen strak lineair waren. Deze stereocentra, analoog aan de chemische knooppunten in veel complexe organische moleculen, knikken introduceren in 1-D nanostructuren, transformeren in meer complexe vormen.

Lieber en zijn co-auteurs ontdekten dat het introduceren van twee hoeken van 120º in een nanodraad in de juiste cis-oriëntatie een enkele V-vormige hoek van 60º creëert, perfect voor een tweeledige nanoFET met een sensor aan het uiteinde van de V. De twee armen kunnen vervolgens worden verbonden met draden om een ​​stroom door de nanoschaaltransistor te creëren.