Team udvikler ultrafølsom biosensor fra molybdenit halvleder

Flyt dig, grafen. En atomisk tynd, todimensionel, ultrasensitivt halvledermateriale til biosensering udviklet af forskere ved UC Santa Barbara lover at skubbe grænserne for biosenseringsteknologi på mange områder, fra sundhedspleje til miljøbeskyttelse til retsmedicinske industrier.

Baseret på molybdendisulfid eller molybdenit (MoS2), biosensormaterialet - normalt brugt som tørt smøremiddel - overgår grafens allerede høje følsomhed, tilbyder bedre skalerbarhed og egner sig til fremstilling i store mængder. Resultaterne af forskernes undersøgelse er blevet offentliggjort i ACS Nano .

"Denne opfindelse har etableret grundlaget for en ny generation af ultralydsfølsomme og billige biosensorer, der i sidste ende kan tillade detektion af enkeltmolekyler-den hellige gral inden for diagnostik og bioingeniørforskning, sagde Samir Mitragotri, medforfatter og professor i kemiteknik og direktør for Center for Bioengineering ved UCSB. "Detektion og diagnostik er et centralt område inden for bioingeniørforskning ved UCSB, og denne undersøgelse repræsenterer et glimrende eksempel på UCSB's mangefacetterede kompetencer inden for dette spændende område."

Nøglen, ifølge UCSB professor i elektrisk og computerteknik Kaustav Banerjee, der ledede denne forskning, er MoS2's bandgab, egenskab ved et materiale, der bestemmer dets elektriske ledningsevne.

Halvledermaterialer har et lille, men nulbåndsgab og kan kontrolleres mellem ledende og isolerede tilstande. Jo større båndgab, jo bedre dens evne til at skifte tilstand og til at isolere lækstrøm i en isoleret tilstand. MoS2's brede båndgab tillader strøm at rejse, men forhindrer også lækage og resulterer i mere følsomme og præcise aflæsninger.

Mens grafen har tiltrukket stor interesse som biosensor på grund af dets todimensionelle karakter, der tillader fremragende elektrostatisk styring af transistorkanalen ved porten, og et højt overflade-til-volumen-forhold, følsomheden af ​​en grafens felt-effekt transistor (FET) biosensor er fundamentalt begrænset af nulbåndsgabet i grafen, der resulterer i øget lækstrøm, fører til nedsat følsomhed, forklarede Banerjee, som også er direktør for Nanoelectronics Research Lab på UCSB.

Der er brugt grafen, blandt andet, at designe FET'er - enheder, der regulerer strømmen af ​​elektroner gennem en kanal via et lodret elektrisk felt, der ledes ind i kanalen af ​​en terminal kaldet en "port". Inden for digital elektronik, disse transistorer styrer strømmen af ​​elektricitet gennem et integreret kredsløb og muliggør forstærkning og omskiftning.

Inden for biosensing, den fysiske port fjernes, og strømmen i kanalen moduleres af bindingen mellem indlejrede receptormolekyler og de ladede målbiomolekyler, som de udsættes for. Graphen har modtaget stor interesse for biosensoreringsfeltet og er blevet brugt til at føre kanalen og fungere som et sanseelement, hvis overfladepotentiale (eller ledningsevne) kan moduleres af interaktionen (kendt som konjugering) mellem receptoren og målmolekylerne, der resulterer i netto akkumulering af afgifter over gateområdet.

Imidlertid, sagde forskerholdet, på trods af grafens fremragende egenskaber, dens ydeevne er begrænset af dets nulbåndsgab. Elektroner bevæger sig frit over en grafen -FET - derfor den kan ikke "slukkes" - hvilket i dette tilfælde resulterer i aktuelle lækager og større risiko for unøjagtigheder.

Meget forskning i grafensamfundet har været afsat til at kompensere for denne mangel, enten ved at mønstre grafen til at lave nanoribbons eller ved at indføre defekter i grafenlaget - eller ved at bruge to -lags grafen stablet i et bestemt mønster, der tillader åbning af båndgab ved anvendelse af et lodret elektrisk felt - for bedre kontrol og detektion af strøm.

Indtast MoS2, et materiale, der allerede laver bølger i halvlederverdenen for de ligheder, det deler med grafen, herunder dens atomtynde sekskantede struktur, og plan natur, såvel som hvad det kan, som grafen ikke kan:fungere som en halvleder.

"Monoslag eller få-lags MoS2 har en vigtig fordel i forhold til grafen til design af en FET-biosensor:De har et relativt stort og ensartet båndgab (1,2-1,8 eV, afhængigt af antallet af lag), der reducerer lækstrømmen betydeligt og øger abruptiteten af ​​FET'ernes tændingsadfærd, derved øge biosensorens følsomhed, "sagde Banerjee.

Derudover ifølge Deblina Sarkar, en ph.d. -studerende i Banerjees laboratorium og hovedforfatteren af ​​artiklen, todimensionel MoS2 er relativt enkel at fremstille.

"Mens endimensionelle materialer som carbon nanorør og nanotråde også tillader fremragende elektrostatik og samtidig besidder båndgab, de er ikke egnede til lavpris masseproduktion på grund af deres proceskompleksitet, "sagde hun." Desuden kanallængden af ​​MoS2 FET biosensor kan skaleres ned til de dimensioner, der ligner dem for små biomolekyler, såsom DNA eller små proteiner, stadig vedligeholder god elektrostatik, hvilket kan føre til høj følsomhed, selv til påvisning af enkelte kvanta af disse biomolekylære arter, "tilføjede hun.

"Faktisk, atomisk tynd MoS2 giver det bedste af alt:fantastisk elektrostatik på grund af deres ultratynde krop, skalerbarhed (på grund af stort båndgab), samt mønsterbarhed på grund af deres plane karakter, der er afgørende for produktion i store mængder, "sagde Banerjee.

MoS2 -biosensorerne demonstreret af UCSB -teamet har allerede givet ultralydsfølsom og specifik proteinsensor med en følsomhed på 196 selv ved 100 femtomolære (en milliardtedel af en milliontedel af mol) koncentrationer. Denne proteinkoncentration svarer til en dråbe mælk opløst i hundrede tons vand. En MoS2-baseret pH-sensor, der opnår følsomhed så højt som 713 for en pH-ændring med en enhed sammen med effektiv drift over et bredt pH-område (3-9), er også demonstreret i det samme arbejde.

"Denne transformative teknologi muliggør meget specifikke, lav strøm, fysiologisk sansning med høj gennemstrømning, der kan multiplexeres for at detektere en række signifikante, sygdomsspecifikke faktorer i realtid, "kommenterede Scott Hammond, administrerende direktør for UCSB's Translational Medicine Research Laboratories.

Biosensorer baseret på konventionelle FET'er har taget fart som en levedygtig teknologi for medicinske, retsmedicin og sikkerhedsindustri, da de er omkostningseffektive i forhold til optiske detektionsprocedurer. Sådanne biosensorer giver mulighed for skalerbarhed og etiketfri påvisning af biomolekyler-fjernelse af trin og omkostninger ved mærkning af målmolekyler med fluorescerende farvestof. "I det væsentlige, "fortsatte Hammond, "løftet om sandt bevisbaseret, personlig medicin er endelig ved at blive til virkelighed. "

"Denne demonstration er ganske bemærkelsesværdig, "sagde Andras Kis, professor ved École Polytechnique Fédérale de Lausanne i Schweiz og en førende forsker inden for 2D -materialer og -udstyr. "På nuværende tidspunkt, det videnskabelige samfund verden over aktivt søger praktiske anvendelser af 2D halvledermaterialer såsom MoS2 nanosheets. Professor Banerjee og hans team har identificeret en banebrydende anvendelse af disse nanomaterialer og givet ny impuls til udviklingen af ​​laveffektive og billige ultralydsfølsomme biosensorer, "fortsatte Kis, der ikke har forbindelse til projektet.