Flytta dig, grafen. En atomtunn, tvådimensionell, ultrakänsligt halvledarmaterial för biosensering utvecklat av forskare vid UC Santa Barbara lovar att flytta gränserna för biosensorteknik på många områden, från hälso- och sjukvård till miljöskydd till rättsmedicinsk industri.

Baserat på molybden -disulfid eller molybdenit (MoS2), biosensormaterialet - som vanligtvis används som torrt smörjmedel - överstiger grafens redan höga känslighet, erbjuder bättre skalbarhet och lämpar sig för högvolymstillverkning. Resultaten av forskarnas studie har publicerats i ACS Nano .

"Denna uppfinning har etablerat grunden för en ny generation av ultrakänsliga och billiga biosensorer som så småningom kan möjliggöra detektering av en molekyl-diagnostikens och bioingenjörsforskningens heliga gral, sa Samir Mitragotri, medförfattare och professor i kemiteknik och chef för Center for Bioengineering vid UCSB. "Upptäckt och diagnostik är ett nyckelområde inom bioingenjörsforskning vid UCSB och denna studie representerar ett utmärkt exempel på UCSB:s mångfacetterade kompetenser inom detta spännande område."

Nyckeln, enligt UCSB -professor i el- och datateknik Kaustav Banerjee, som ledde denna forskning, är MoS2:s bandgap, egenskapen hos ett material som bestämmer dess elektriska konduktivitet.

Halvledarmaterial har ett litet men icke -nollbandspalt och kan styras mellan ledande och isolerade tillstånd. Ju större bandgap, desto bättre är dess förmåga att byta tillstånd och att isolera läckström i ett isolerat tillstånd. MoS2:s breda bandgap tillåter ström att resa men förhindrar också läckage och resulterar i mer känsliga och noggranna avläsningar.

Medan grafen har väckt stort intresse som biosensor på grund av dess tvådimensionella natur som möjliggör utmärkt elektrostatisk styrning av transistorkanalen genom porten, och högt förhållande mellan yta och volym, känsligheten hos en biosensor för grafenfält-effekt-transistor (FET) begränsas i grunden av grafens nollbandsgap som resulterar i ökad läckström, vilket leder till minskad känslighet, förklarade Banerjee, som också är chef för Nanoelectronics Research Lab vid UCSB.

Grafen har använts, bland annat, att designa FET -enheter - enheter som reglerar flödet av elektroner genom en kanal via ett vertikalt elektriskt fält riktat in i kanalen av en terminal som kallas en "grind". Inom digital elektronik, dessa transistorer styr flödet av elektricitet genom en integrerad krets och möjliggör förstärkning och omkoppling.

Inom biosensingområdet, den fysiska porten tas bort, och strömmen i kanalen moduleras av bindningen mellan inbäddade receptormolekyler och de laddade målbiomolekylerna som de utsätts för. Grafen har fått stort intresse för biosensorområdet och har använts för att leda kanalen och fungera som ett avkänningselement vars ytpotential (eller konduktivitet) kan moduleras av interaktionen (känd som konjugering) mellan receptorn och målmolekylerna som resulterar i netto ackumulering av avgifter över grindregionen.

Dock, sa forskargruppen, trots grafens utmärkta egenskaper, dess prestanda begränsas av dess nollbandsgap. Elektroner färdas fritt över en grafen -FET - därför den kan inte "stängas av" - vilket i detta fall resulterar i strömläckage och högre risk för felaktigheter.

Mycket forskning inom grafensamhället har ägnats åt att kompensera för denna brist, antingen genom att mönstra grafen för att göra nanoribon eller genom att införa defekter i grafenskiktet - eller använda tvålagers grafen staplat i ett visst mönster som tillåter bandgapöppning vid applicering av ett vertikalt elektriskt fält - för bättre kontroll och detektion av ström.

Ange MoS2, ett material som redan gör vågor i halvledarvärlden för likheterna som det delar med grafen, inklusive dess atomtunna sexkantiga struktur, och plan natur, liksom vad den kan göra som grafen inte kan:agera som en halvledare.

"Enskikts- eller fåskikts-MoS2 har en viktig fördel gentemot grafen för att utforma en FET-biosensor:De har ett relativt stort och enhetligt bandgap (1,2-1,8 eV, beroende på antalet lager) som avsevärt minskar läckströmmen och ökar abruptiteten hos FET:s startbeteende, vilket ökar biosensorns känslighet, sa Banerjee.

Dessutom, enligt Deblina Sarkar, en doktorand i Banerjees laboratorium och huvudförfattare till artikeln, tvådimensionell MoS2 är relativt enkel att tillverka.

"Medan endimensionella material som kolnanorör och nanotrådar också tillåter utmärkt elektrostatik och samtidigt har bandgap, de är inte lämpliga för lågkostnadsproduktion på grund av deras processkomplexitet, "sa hon." Dessutom, kanallängden för MoS2 FET -biosensorn kan skalas ner till de dimensioner som liknar de för små biomolekyler, såsom DNA eller små proteiner, fortfarande upprätthåller god elektrostatik, vilket kan leda till hög känslighet även för detektion av enstaka kvanter av dessa biomolekylära arter, " tillade hon.

"Faktiskt, atomtunn MoS2 ger det bästa av allt:bra elektrostatik på grund av deras ultratunna kropp, skalbarhet (på grund av stort bandgap), samt mönsterbarhet på grund av deras plana karaktär som är avgörande för högvolymstillverkning, sa Banerjee.

MoS2 -biosensorerna som demonstrerats av UCSB -teamet har redan tillhandahållit ultrakänslig och specifik proteingivning med en känslighet på 196 även vid 100 femtomolära (en miljarddels miljonedel av en mol) -koncentrationer. Denna proteinkoncentration liknar en droppe mjölk upplöst i hundra ton vatten. En MoS2-baserad pH-sensor som uppnår känslighet så hög som 713 för en pH-förändring med en enhet tillsammans med effektiv drift över ett brett pH-område (3-9) visas också i samma arbete.

"Denna transformativa teknik möjliggör mycket specifika, låg effekt, fysiologisk avkänning med hög genomströmning som kan multiplexeras för att detektera ett antal signifikanta, sjukdomsspecifika faktorer i realtid, "kommenterade Scott Hammond, verkställande direktör för UCSB:s Translational Medicine Research Laboratories.

Biosensorer baserade på konventionella FET har tagit fart som en livskraftig teknik för medicinska, rättsmedicin och säkerhetsindustrin eftersom de är kostnadseffektiva jämfört med optiska detekteringsprocedurer. Sådana biosensorer möjliggör skalbarhet och märkningsfri upptäckt av biomolekyler-tar bort steget och kostnaden för att märka målmolekyler med fluorescerande färgämne. "I huvudsak, "fortsatte Hammond, "löftet om sann bevisbaserad, personlig medicin blir äntligen verklighet. "

"Denna demonstration är ganska anmärkningsvärd, "sa Andras Kis, professor vid École Polytechnique Fédérale de Lausanne i Schweiz och en ledande forskare inom 2D -material och apparater. "För närvarande, det vetenskapliga samfundet världen över söker aktivt efter praktiska tillämpningar av 2D halvledarmaterial som MoS2 nanosheets. Professor Banerjee och hans team har identifierat en genombrottstillämpning av dessa nanomaterial och gett nya impulser för utvecklingen av lågeffektiva och billiga ultrakänsliga biosensorer, "fortsatte Kis, som inte är kopplad till projektet.