Beweeg over, grafeen. Een atomair dunne, tweedimensionaal, ultragevoelig halfgeleidermateriaal voor biosensing, ontwikkeld door onderzoekers van UC Santa Barbara, belooft de grenzen van biosensing-technologie op veel gebieden te verleggen, van gezondheidszorg tot milieubescherming tot forensische industrieën.

Op basis van molybdeendisulfide of molybdeniet (MoS2), het materiaal van de biosensor - dat gewoonlijk als droog smeermiddel wordt gebruikt - overtreft de toch al hoge gevoeligheid van grafeen, biedt een betere schaalbaarheid en leent zich voor productie in grote volumes. De resultaten van het onderzoek van de onderzoekers zijn gepubliceerd in ACS Nano .

"Deze uitvinding heeft de basis gelegd voor een nieuwe generatie ultragevoelige en goedkope biosensoren die uiteindelijk detectie van één molecuul mogelijk kunnen maken - de heilige graal van diagnostiek en bio-engineeringonderzoek, " zei Samir Mitragotri, co-auteur en hoogleraar chemische technologie en directeur van het Center for Bioengineering aan de UCSB. "Detectie en diagnostiek zijn een belangrijk gebied van bio-engineeringonderzoek bij UCSB en deze studie is een uitstekend voorbeeld van de veelzijdige competenties van UCSB op dit opwindende gebied."

De sleutel, volgens UCSB-hoogleraar elektrische en computertechniek Kaustav Banerjee, die dit onderzoek leidde, is de bandgap van MoS2, het kenmerk van een materiaal dat zijn elektrische geleidbaarheid bepaalt.

Halfgeleidermaterialen hebben een kleine maar niet-nulbandafstand en kunnen regelbaar worden geschakeld tussen geleidende en geïsoleerde toestanden. Hoe groter de bandgap, hoe beter het vermogen om van toestand te wisselen en lekstroom in geïsoleerde toestand te isoleren. De brede bandafstand van MoS2 zorgt ervoor dat stroom kan reizen, maar voorkomt ook lekkage en resulteert in gevoeligere en nauwkeurigere metingen.

Hoewel grafeen brede belangstelling heeft gewekt als biosensor vanwege de tweedimensionale aard die een uitstekende elektrostatische controle van het transistorkanaal door de poort mogelijk maakt, en hoge oppervlakte-tot-volume verhouding, de gevoeligheid van een grafeen-veldeffecttransistor (FET) biosensor wordt fundamenteel beperkt door de nulbandafstand van grafeen die resulteert in een verhoogde lekstroom, wat leidt tot verminderde gevoeligheid, legde Banerjee uit, die ook de directeur is van het Nanoelectronics Research Lab bij UCSB.

Er is gebruik gemaakt van grafeen, onder andere, om FET's te ontwerpen - apparaten die de stroom van elektronen door een kanaal regelen via een verticaal elektrisch veld dat in het kanaal wordt geleid door een terminal die een "poort" wordt genoemd. Bij digitale elektronica deze transistors regelen de stroom van elektriciteit door een geïntegreerd circuit en zorgen voor versterking en schakelen.

Op het gebied van biosensing, de fysieke poort wordt verwijderd, en de stroom in het kanaal wordt gemoduleerd door de binding tussen ingebedde receptormoleculen en de geladen doelwitbiomoleculen waaraan ze worden blootgesteld. Grafeen heeft brede interesse gekregen in het biosensing-veld en is gebruikt om het kanaal te lijnen en te fungeren als een detectie-element waarvan de oppervlaktepotentiaal (of geleidbaarheid) kan worden gemoduleerd door de interactie (bekend als conjugatie) tussen de receptor en doelmoleculen die resulteert in netto accumulatie van ladingen over het poortgebied.

Echter, zei het onderzoeksteam, ondanks de uitstekende eigenschappen van grafeen, de prestaties worden beperkt door de nulbandafstand. Elektronen reizen vrij over een grafeen-FET - vandaar dat het kan niet worden "uitgeschakeld" - wat in dit geval resulteert in stroomlekken en een grotere kans op onnauwkeurigheden.

Veel onderzoek in de grafeengemeenschap is gewijd aan het compenseren van dit tekort, ofwel door grafeen van een patroon te voorzien om nanoribbons te maken of door defecten in de grafeenlaag te introduceren - of door dubbellaags grafeen te gebruiken dat in een bepaald patroon is gestapeld dat opening van de bandgap mogelijk maakt bij toepassing van een verticaal elektrisch veld - voor betere controle en detectie van stroom.

Voer MoS2 in een materiaal dat al golven maakt in de halfgeleiderwereld vanwege de overeenkomsten die het deelt met grafeen, inclusief de atomair dunne zeshoekige structuur, en vlakke natuur, evenals wat het kan doen dat grafeen niet kan:werken als een halfgeleider.

"MoS2 met één of enkele lagen heeft een belangrijk voordeel ten opzichte van grafeen voor het ontwerpen van een FET-biosensor:ze hebben een relatief grote en uniforme bandafstand (1,2-1,8 eV, afhankelijk van het aantal lagen) dat de lekstroom aanzienlijk vermindert en de abruptheid van het inschakelgedrag van de FET's verhoogt, waardoor de gevoeligheid van de biosensor toeneemt, ' zei Banerjee.

Aanvullend, volgens Deblina Sarkar, een promovendus in het lab van Banerjee en de hoofdauteur van het artikel, tweedimensionaal MoS2 is relatief eenvoudig te vervaardigen.

"Terwijl eendimensionale materialen zoals koolstofnanobuizen en nanodraden ook uitstekende elektrostatica mogelijk maken en tegelijkertijd een bandafstand hebben, ze zijn niet geschikt voor goedkope massaproductie vanwege hun procescomplexiteit, "zei ze. "Bovendien, de kanaallengte van de MoS2 FET-biosensor kan worden verkleind tot afmetingen die vergelijkbaar zijn met die van kleine biomoleculen zoals DNA of kleine eiwitten, nog steeds goede elektrostatica behouden, wat kan leiden tot een hoge gevoeligheid, zelfs voor de detectie van enkele quanta van deze biomoleculaire soorten, " voegde ze eraan toe.

"In feite, atomair dunne MoS2 biedt het beste van alles:geweldige elektrostatica dankzij hun ultradunne behuizing, schaalbaarheid (vanwege grote band gap), evenals patroonbaarheid vanwege hun vlakke aard die essentieel is voor productie in grote hoeveelheden, ' zei Banerjee.

De MoS2-biosensoren die door het UCSB-team zijn gedemonstreerd, hebben al ultragevoelige en specifieke eiwitdetectie geleverd met een gevoeligheid van 196, zelfs bij 100 femtomolaire (een miljardste van een miljoenste van een mol) concentraties. Deze eiwitconcentratie is vergelijkbaar met één druppel melk opgelost in honderd ton water. Een op MoS2 gebaseerde pH-sensor die een gevoeligheid van maar liefst 713 bereikt voor een pH-verandering met één eenheid, samen met een efficiënte werking over een breed pH-bereik (3-9) wordt ook in hetzelfde werk gedemonstreerd.

"Deze transformatieve technologie maakt zeer specifieke, laag vermogen, high-throughput fysiologische detectie die kan worden gemultiplext om een ​​aantal significante, ziektespecifieke factoren in realtime, " merkte Scott Hammond op, uitvoerend directeur van de Translational Medicine Research Laboratories van UCSB.

Biosensoren op basis van conventionele FET's winnen aan kracht als een levensvatbare technologie voor de medische, forensische en beveiligingsindustrieën omdat ze kosteneffectief zijn in vergelijking met optische detectieprocedures. Dergelijke biosensoren zorgen voor schaalbaarheid en labelvrije detectie van biomoleculen, waardoor de stap en de kosten van het labelen van doelmoleculen met fluorescerende kleurstof worden weggenomen. "In essentie, " vervolgde Hammond, "de belofte van echte evidence-based, gepersonaliseerde geneeskunde wordt eindelijk realiteit."

"Deze demonstratie is vrij opmerkelijk, " zei Andras Kis, professor aan de École Polytechnique Fédérale de Lausanne in Zwitserland en een vooraanstaand wetenschapper op het gebied van 2D-materialen en apparaten. "Momenteel, de wetenschappelijke gemeenschap wereldwijd is actief op zoek naar praktische toepassingen van 2D-halfgeleidermaterialen zoals MoS2-nanosheets. Professor Banerjee en zijn team hebben een baanbrekende toepassing van deze nanomaterialen geïdentificeerd en een nieuwe impuls gegeven aan de ontwikkeling van energiezuinige en goedkope ultragevoelige biosensoren, " vervolgde Kis, die niet bij het project betrokken is.