Nyt glasstempel kan gøre det billigere, mere præcise biosensorer

Fremskridt inden for mikrochip-teknologi kan en dag gøre det muligt for klinikere at udføre tests for hundredvis af sygdomme - sigte specifikke molekyler ud, såsom kræftceller i tidlige stadier - fra kun én dråbe blod. Men at fremstille sådanne "lab-on-a-chip"-designs - bittesmå, integrerede diagonistiske sensorarrays på overflader så små som en kvadratcentimeter -- er en teknisk udfordrende, tidskrævende og dyr præstation.

Nu, forskere ved MIT er kommet frem til en simpel, præcis og reproducerbar teknik, der reducerer tiden og omkostningerne ved at fremstille sådanne sensorer. Nicholas Fang, lektor i maskinteknik, har udviklet en graveringsteknik, der ætser bittesmå, mønstre i nanostørrelse på metalliske overflader ved hjælp af en lille, spændingsaktiveret stempel lavet af glas. Fang siger graveringerne, lavet af små prikker mindre end en hundrededel af bredden af ​​et menneskehår, fungere som optiske antenner, der kan identificere et enkelt molekyle ved at opfange dets specifikke bølgelængde.

"Hvis du er i stand til at skabe en optisk antenne med præcise dimensioner ... kan du bruge dem til at rapportere trafik på molekylær skala, " siger Fang.

Forskerne rapporterede om den nye fremstillingsproces i 21. september online-udgaven af ​​tidsskriftet Nanoteknologi .

Forhindringer til markedet

Den nye tilgang til glasstempel kan hjælpe forskere med at rydde en stor hindring i laboratorie-på-en-chip-fremstilling:nemlig, opskalere. I dag fremstiller forskere nanosensorer ved hjælp af elektronstrålelitografi, en dyr og tidskrævende teknik, der bruger en fokuseret stråle af elektroner til langsomt at ætse mønstre ind i metalliske overflader. Processen, mens det er ekstremt præcist, er også ekstremt dyrt:Fang siger, at det er almindeligt, at faciliteter lejer sådant udstyr ud for $200 i timen. At fremstille et seks millimeter kvadratisk mønster tager typisk en halv dag - så hvis sensorer lavet ved hjælp af elektronstrålelitografi blev skubbet ind på det kommercielle marked, Fang anslår, at de ville køre mere end $600 stykket.

"Ingen vil have chips så dyre, " siger Fang. "Biologitests leder efter noget, der er billigt, men alligevel pålideligt. Og det udelukker nogle af de mere avancerede, dyrere teknologier."

Det kan også udelukke nogle billigere teknologier, der udvikles i dag. For eksempel, nanoimprint litografi er en enkel, lavprisproces, hvor en formbar polymer presses på et masterkredsløbsmønster. Når de udsættes for UV-lys, polymeren hærder; når hovedkredsløbet er pillet af, den danner en form, der kan fyldes med et metalsubstrat for at lave en kopi af det originale kredsløbsmønster. Forskere vasker typisk polymerformen væk for at isolere det nye metalliske mønster.

Imidlertid, Fang siger denne tilgang, mens det er billigt, kan også være upræcis. Det bløde polymermateriale passer muligvis ikke nøjagtigt omkring det originale mønster, resulterer i en skimmelsvamp med knopper, buler og andre ufuldkommenheder - og kopier, der ikke er helt de samme som originalen. Da processen kræver bortvaskning af polymerformen, forskere skal bruge mere polymermateriale til at fremstille flere kopier.

En glaspusterinspiration

Fang og hans kolleger fandt på en teknik, der kan løse omkostningerne, spørgsmål om præcision og reproducerbarhed af andre teknologier. Holdet tog en tilgang svarende til nanoimprint litografi. Men i stedet for polymer, forskerne brugte glas som støbemateriale.

"Jeg blev inspireret af glaspustere, som rent faktisk bruger deres evner til at danne flasker og bægre, " siger Fang. "Selvom vi tænker på glas som skrøbeligt, på det smeltede stadium, den er faktisk meget formbar og blød, og kan hurtigt og smidigt tage form som en gipsform. Det er i stor skala, men utroligt nok fungerer det også meget godt i lille skala, i meget høj hastighed."

Med det i tankerne, Fang og hans team kaster rundt efter et glasagtigt materiale, der ville opfylde deres krav, og fandt en ideel kandidat i en form for superionisk glas - glas bestående af delvist ioner, som kan aktiveres elektrokemisk, når der pumpes med spænding.

Forskerne fyldte en lille sprøjte med glaspartikler og opvarmede nålen for at smelte glasset indeni. De pressede derefter det smeltede glas på et mastermønster, danner en form, der stivnede, når den blev afkølet. Holdet pressede derefter glasformen på et fladt sølvsubstrat, og anvendte en lille, 90-millivolt elektrisk potentiale over sølvlaget. De spændingsstimulerede ioner i begge overflader, og udløste glasformen til i det væsentlige at ætse ind i metalsubstratet.

Gruppen var i stand til at producere mønstre af små prikker, 30 nanometer bred, i trekanters mønstre, rektangler og, legende, en ionsøjle, med en opløsning mere præcis end nanoimprint litografi.

"Du ender med et bedre snit, " siger Fang. "Og vi har et stempel, der kan genbruges mange gange."

For virkelig at få indflydelse på fremstilling af sensorer i stor skala, gruppen skal bevise, at frimærket kan genbruges mange, mange gange, ifølge S.V. Sreenivasan, professor i maskinteknik ved University of Texas i Austin.

"Det har potentiale til at være væsentligt lavere omkostninger for mønstermetaller såsom sølv, " siger Sreenivasan. "Men en højgennemstrømningsproces med lang frimærkelevetid mangler stadig at blive demonstreret. Et andet værdifuldt bidrag kan være at fokusere på at genvinde sølv, der er fjernet under mønstret af metal, da dette yderligere vil adressere omkostningsfølsomme applikationer."

Fang erkender, at der stadig er omkostningsbarrierer for denne glasætsningsproces:Den kræver stadig brug af et mastermetallisk mønster, lavet via dyr litografi. Imidlertid, han påpeger, at kun ét mestermønster, og et glasstempel, er nødvendig for at masseproducere en hel serie af den samme sensor, som kan bringe storstilet produktion tættere på virkeligheden.

"Med dette stempel, Jeg kan gengive måske titusinder af disse sensorer, og hver af dem vil være næsten identiske, " siger Fang. "Så dette er et fascinerende fremskridt for os, og giver os mulighed for at printe mere effektive antenner."