Gemaakt van ultramoderne siliciumtransistors, een ultra-low power sensor maakt het mogelijk om de inhoud van vloeistoffen zoals transpiratie in realtime te scannen. Compatibel met geavanceerde elektronica, deze technologie biedt een uitzonderlijke nauwkeurigheid - genoeg om mobiele sensoren te maken die de gezondheid bewaken.

Stel je voor dat het mogelijk is, door een klein zelfklevend elektronisch stempel op de arm, om in realtime iemands hydratatieniveau te kennen, stress of vermoeidheid tijdens het joggen. Een nieuwe sensor ontwikkeld in het Nanoelectronic Devices Laboratory (Nanolab) bij EPFL is de eerste stap in de richting van deze toepassing. "Het ionische evenwicht in iemands zweet kan belangrijke informatie opleveren over de gezondheidstoestand, " zegt Adrian Ionescu, directeur van Nanolab. "Onze technologie detecteert de aanwezigheid van elementaire geladen deeltjes in ultrakleine concentraties zoals ionen en protonen, die niet alleen de pH-balans van zweet weerspiegelt, maar ook meer complexe hydratatie van vermoeidheidstoestanden. Door een aangepaste functionalisering kan ik ook verschillende soorten eiwitten volgen."

Een twee-in-een-chip

Gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano , het apparaat is gebaseerd op transistors die vergelijkbaar zijn met die van het bedrijf Intel in geavanceerde microprocessors. Op de ultramoderne "FinFET"-transistor, onderzoekers hebben een microfluïdisch kanaal gefixeerd waardoor de te analyseren vloeistof stroomt. Als de moleculen passeren, hun elektrische lading verstoort de sensor, waarmee de samenstelling van de vloeistof kan worden afgeleid.

Het nieuwe apparaat bevat niet alleen sensoren, maar ook transistors en circuits die de versterking van de signalen mogelijk maken – een belangrijke innovatie. De prestatie berust op een gelaagd ontwerp dat het elektronische deel isoleert van de vloeibare substantie. "Meestal is het nodig om afzonderlijk een sensor te gebruiken voor detectie en een circuit voor berekeningen en signaalversterking, " zegt Sara Rigante, hoofdauteur van de publicatie. "In onze chip, sensoren en circuits zitten in hetzelfde apparaat, waardoor het een 'Sensing Integrated Circuit' is. Deze nabijheid zorgt ervoor dat het signaal niet wordt verstoord of gewijzigd. Daardoor kunnen we uiterst stabiele en nauwkeurige metingen verkrijgen."

Maar dat is niet alles. Vanwege de grootte van de transistors - 20 nanometer, die honderd tot duizend keer kleiner is dan de dikte van een haar - het is mogelijk om een ​​heel netwerk van sensoren op één chip te plaatsen, waarbij elke sensor een ander deeltje lokaliseert. "We konden ook calcium detecteren, natrium of kalium in zweet, ’ legt de onderzoeker uit.

Een sensor met uitzonderlijke stabiliteit

De bij EPFL ontwikkelde technologie onderscheidt zich van haar concurrenten doordat ze extreem stabiel is, compatibel met bestaande elektronica (CMOS), ultralaag stroomverbruik en gemakkelijk te reproduceren in grote reeksen sensoren. "Op het gebied van biosensoren, onderzoek rond nanotechnologie is intens, in het bijzonder met betrekking tot silicium nanodraden en nanobuisjes. Maar deze technologieën zijn vaak onstabiel en daarom voorlopig onbruikbaar in industriële toepassingen, " zegt Ionescu. "In het geval van onze sensor, we zijn begonnen met extreem krachtig, geavanceerde technologie en aangepast voor het detecteren van de behoefte in een liquid-gate FinFET-configuraties. De precisie van de elektronica is zodanig dat het gemakkelijk is om ons apparaat in miljoenen met identieke kenmerken te klonen."

In aanvulling, de technologie is niet energie-intensief. "We kunnen er 10 voeden, 000 sensoren met een enkele zonnecel, ', stelt professor Ionescu.

De juiste technologie en de juiste architectuur kiezen

Zo ver, de tests zijn uitgevoerd door de vloeistof te laten circuleren met een klein pompje. Onderzoekers werken momenteel aan een manier om het zweet via wicking in de microfluïdische buis te zuigen. Dit zou de kleine analyserende "pleister" ontdoen van de noodzaak van een aangesloten pomp.