Team leverer verdens første biosensorchips baseret på kobber og grafenoxid

Russiske forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi har udviklet biosensorchips med hidtil uset følsomhed baseret på kobber i stedet for guld. Udover at gøre enheden noget billigere, denne innovation vil lette fremstillingsprocessen. Forskningsresultaterne er rapporteret i tidsskriftet Langmuir .

Biosensorchips bruges af medicinalvirksomheder til at udvikle lægemidler. Disse chips er også uundværlige til at studere kinetikken af ​​molekylære interaktioner. Desuden, de kunne tjene som grundlag for kemiske analysatorer, der bruges til at finde molekylære sygdomsmarkører og til at påvise farlige stoffer i fødevarer eller miljøet, herunder utætheder fra kemiske fabrikker, blandt andet.

Det russiske forskerhold fra Laboratory of Nanooptics and Plasmonics ved MIPT's Center for Photonics and 2-D Materials har udviklet en sensorchip baseret på ukonventionelle materialer:kobber og grafenoxid. Som resultat, deres enhed opnår uovertruffen følsomhed. Dens konfiguration er for det meste standard, og derfor kompatible med eksisterende kommercielle biosensorer såsom dem fra Biacore, Reichert, BioNavis og BiOptix.

"Vores tekniske løsning er et vigtigt skridt i retning af at udvikle biologiske sensorer baseret på fotonisk og elektronisk teknologi, " siger Valentyn Volkov, professor ved Syddansk Universitet, som også leder Laboratory of Nanooptics and Plasmonics på MIPT. "Ved at stole på standard fremstillingsteknologier og kombinere kobber med grafenoxid - et materiale, der har et stort potentiale - opnår vi en påviselig høj effektivitet. Dette åbner nye veje for udvikling af biosensorer."

Det mest almindelige materiale, der bruges i optoelektronik og fotonik, er guld. Næsten alle kommercielle biosensorchips inkorporerer guldfilm, der er flere titusinder af nanometer tykke - en nanometer er en milliardtedel af en meter. Grunden til, at guld er så allestedsnærværende, er, at det har fremragende optiske egenskaber og er kemisk meget stabilt. Men guld er ikke perfekt – det er dyrt – over 25 gange så dyrt som kobber med høj renhed. Og guld er uforeneligt med de industrielle processer, der bruges til fremstilling af mikroelektronik, hvilket i høj grad begrænser dets potentiale for anvendelse i enhedsmasseproduktion.

I modsætning til guld, kobber har ikke disse fejl. Dens optiske egenskaber er på niveau med guldets. Kobber bruges som en elektrisk leder i mikroelektronik. Imidlertid, det lider af oxidation, eller korrosion, og har derfor ikke været brugt i biochips. Nu, MIPT-forskere har løst dette problem ved at dække metallet med et 10 nanometer dielektrisk lag. Ud over at forhindre oxidation, dette ændrede chippens optiske egenskaber, gør det mere følsomt.

For yderligere at forfine deres biosensordesign, forfatterne tilføjede et grafenoxidlag oven på kobber- og dielektriske film, muliggør hidtil uset følsomhed. Dette tredje materiale blev oprindeligt opnået i 1859 som grafitoxid af Oxford University professor Benjamin C. Brodie Jr., en kendt engelsk kemiker. Senere, grafenoxid oplevede en slags genoplivning efter opdagelsen af ​​grafen - det første kendte todimensionelle materiale - af russisk-fødte University of Manchester fysikere og MIPT-kandidater Andre Geim og Konstantin Novoselov. Arbejdet med grafen gav dem Nobelprisen i fysik i 2010. Grafenoxid kan visualiseres som grafen - et endimensionelt ark af kulstofatomer bundet i et honeycomb-arrangement med iltholdige grupper dinglende fra nogle af kulstofatomerne. Disse grupper udgør en forbindelse mellem enhedens overflade og de proteinmolekyler, der analyseres. I en tidligere undersøgelse, forfatterne brugte grafenoxid til at øge følsomheden af ​​standard guld-baserede biosensorer. Materialet viste sig også at være gavnligt for kobbersensorer.

Udskiftning af guld med kobber åbner vejen for udvikling af kompakte biosensing-enheder, der skal implementeres i smartphones, bærbare gadgets, bærbare enheder, og smart tøj, fordi kobberbaserede chips er kompatible med konventionel mikroelektronikteknologi. Globalt, videnskabsmænd og elektronikindustriens giganter som IBM og Samsung lægger mange kræfter i at skabe kompakte biosensorer, der kunne indbygges i elektroniske enheder analogt med nutidens nano- og mikroelektromekaniske accelerometre og gyroskoper. Det er svært at overvurdere virkningen, som biosensorer ville have - enheder ville erhverve et nyt sanseorgan. Og dette er ikke kun en metafor – store virksomheder arbejder på teknologier, der muliggør kunstig intelligens, intelligente gadgets, og biointerfaces, der ville tjene som mediatorer mellem den menneskelige hjerne og computere. En kombination af disse teknologier kunne give anledning til rigtige kybernetiske organismer.

"Det er kendt, at kobber er modtagelig for miljøets ætsende påvirkning. Vi har vist, at beskyttende dielektriske film, der kun er titusinder af nanometer tykke, gør mere end blot at forhindre oxidation - i nogle tilfælde, de øger biosensorfølsomheden, " siger Yury Stebunov, hovedforfatteren af ​​papiret og medstifter og administrerende direktør for GrapheneTek LLC. "Vi ser ikke ren grundforskning som den endelige destination. Vores løsning vil være tilgængelig for potentielle kunder inden årets udgang. De teknologier, der foreslås i denne undersøgelse, kunne bruges til at skabe miniaturesensorer og neurale grænseflader, og det er det, vi arbejder på lige nu."