Ryska forskare från Moskva -institutet för fysik och teknik har utvecklat biosensorflisar med en aldrig tidigare skådad känslighet baserat på koppar istället för guld. Förutom att göra enheten något billigare, denna innovation kommer att underlätta tillverkningsprocessen. Forskningsresultaten redovisas i tidskriften Langmuir .

Biosensorchips används av läkemedelsföretag för att utveckla läkemedel. Dessa marker är också oumbärliga för att studera kinetiken för molekylära interaktioner. Vidare, de kan tjäna som grund för kemiska analysatorer som används för att hitta molekylära markörer för sjukdomar och för att upptäcka farliga ämnen i livsmedel eller miljö, inklusive läckor från kemiska fabriker, bland annat.

Det ryska forskarteamet från Laboratory of Nanooptics and Plasmonics vid MIPT:s Center for Photonics and 2-D Materials har utvecklat ett avkänningschip baserat på okonventionella material:koppar och grafenoxid. Som ett resultat, deras enhet uppnår oöverträffad känslighet. Dess konfiguration är mestadels standard, och därför kompatibel med befintliga kommersiella biosensorer som de från Biacore, Reichert, BioNavis och BiOptix.

"Vår tekniska lösning är ett viktigt steg mot att utveckla biologiska sensorer baserade på fotonisk och elektronisk teknik, säger Valentyn Volkov, professor vid Syddansk Universitet, som också leder Laboratory of Nanooptics and Plasmonics på MIPT. "Genom att förlita oss på standardtillverkningsteknik och kombinera koppar med grafenoxid – ett material som har stor potential – uppnår vi en bevisligen hög effektivitet. Detta öppnar nya vägar för utveckling av biosensorer."

Det vanligaste materialet som används inom optoelektronik och fotonik är guld. Nästan alla kommersiella biosensorchips innehåller guldfilmer som är flera tiotals nanometer tjocka - en nanometer är en miljarddels meter. Anledningen till att guld är så allmänt förekommande är att det har utmärkta optiska egenskaper och är kemiskt mycket stabilt. Men guld är inte perfekt – det är dyrt – över 25 gånger så dyrt som koppar med hög renhet. Och guld är oförenligt med de industriella processer som används för tillverkning av mikroelektronik, vilket kraftigt begränsar dess potential för tillämpning i massproduktion av enheter.

Till skillnad från guld, koppar har inte dessa brister. Dess optiska egenskaper är i paritet med guldets. Koppar används som elektrisk ledare i mikroelektronik. Dock, det lider av oxidation, eller korrosion, och har därför inte använts i biochips. Nu, MIPT-forskare har löst detta problem genom att täcka metallen med ett 10 nanometer dielektriskt lager. Förutom att förhindra oxidation, detta förändrade chipets optiska egenskaper, gör det känsligare.

För att ytterligare förfina deras biosensordesign, författarna lade till ett grafenoxidskikt ovanpå koppar- och dielektriska filmer, möjliggör oöverträffad känslighet. Detta tredje material erhölls ursprungligen 1859 som grafitoxid av Oxford University professor Benjamin C. Brodie Jr., en berömd engelsk kemist. Senare, grafenoxid upplevde ett slags väckelse efter upptäckten av grafen – det första kända tvådimensionella materialet – av fysiker från Ryssland och MIPT-utexaminerade Andre Geim och Konstantin Novoselov. Arbetet med grafen gav dem Nobelpriset i fysik 2010. Grafenoxid kan visualiseras som grafen - ett endimensionellt ark av kolatomer bundna i ett bikakearrangemang med syrehaltiga grupper som dinglar från några av kolatomerna. Dessa grupper ger en länk mellan enhetens yta och proteinmolekylerna som analyseras. I en tidigare studie, författarna använde grafenoxid för att öka känsligheten hos vanliga guldbaserade biosensorer. Materialet visade sig vara fördelaktigt även för kopparsensorer.

Att ersätta guld med koppar öppnar vägen för att utveckla kompakta bioavkänningsenheter som ska implementeras i smartphones, bärbara prylar, bärbara enheter, och smarta kläder, eftersom kopparbaserade chips är kompatibla med konventionell mikroelektronikteknik. Globalt, Forskare och elektronikindustrijättar som IBM och Samsung lägger mycket kraft på att skapa kompakta biosensorer som skulle kunna byggas in i elektroniska enheter analogt med dagens nano- och mikroelektromekaniska accelerometrar och gyroskop. Det är svårt att överskatta effekten som biosensorer skulle ha – enheter skulle få ett nytt sinnesorgan. Och detta är inte bara en metafor – stora företag arbetar med teknologier för att möjliggöra AI, intelligenta prylar, och biogränssnitt som skulle fungera som förmedlare mellan den mänskliga hjärnan och datorer. En kombination av dessa teknologier skulle kunna ge upphov till verkliga cybernetiska organismer.

"Det är känt att koppar är känsligt för den frätande påverkan av miljön. Vi har visat att skyddande dielektriska filmer endast tiotals nanometer tjocka gör mer än att bara förhindra oxidation - i vissa fall, de ökar biosensorkänsligheten, "säger Yury Stebunov, huvudförfattare till tidningen och medgrundare och VD för GrapheneTek LLC. "Vi ser inte ren grundforskning som slutdestinationen. Vår lösning kommer att vara tillgänglig för potentiella kunder före årets slut. Teknikerna som föreslås i denna studie skulle kunna användas för att skapa miniatyrsensorer och neurala gränssnitt, och det är det vi jobbar med just nu. "