Tillverkad av toppmoderna kiseltransistorer, en sensor med ultralåg effekt möjliggör realtidsskanning av innehållet i vätskor såsom svett. Kompatibel med avancerad elektronik, denna teknik har exceptionell noggrannhet – tillräckligt för att tillverka mobila sensorer som övervakar hälsan.

Föreställ dig att det är möjligt, genom en liten självhäftande elektronisk stämpel fäst på armen, att i realtid veta sin hydreringsnivå, stress eller trötthet när du joggar. En ny sensor utvecklad vid Nanoelectronic Devices Laboratory (Nanolab) vid EPFL är det första steget mot denna applikation. "Jonjämvikten i en persons svett kan ge betydande information om hans hälsotillstånd, säger Adrian Ionescu, direktör för Nanolab. "Vår teknologi detekterar närvaron av elementärt laddade partiklar i ultrasmå koncentrationer som joner och protoner, vilket återspeglar inte bara pH-balansen i svett utan också mer komplex återfuktning av trötthetstillstånd. Genom en anpassad funktionalisering kan jag också spåra olika typer av proteiner."

Ett två-i-ett-chip

Publicerad i tidskriften ACS Nano , enheten är baserad på transistorer som är jämförbara med de som används av företaget Intel i avancerade mikroprocessorer. På den toppmoderna "FinFET"-transistorn, forskare fixerade en mikrofluidkanal genom vilken vätskan som ska analyseras strömmar. När molekylerna passerar, deras elektriska laddning stör sensorn, vilket gör det möjligt att härleda vätskans sammansättning.

Den nya enheten har inte bara sensorer, men också transistorer och kretsar som möjliggör förstärkning av signalerna – en betydande innovation. Prestationen bygger på en skiktad design som isolerar den elektroniska delen från den flytande substansen. "Vanligtvis är det nödvändigt att separat använda en sensor för detektering och en krets för beräkning och signalförstärkning, säger Sara Rigante, huvudförfattare till publikationen. "I vårt chip, sensorer och kretsar finns i samma enhet – vilket gör det till en "avkännande integrerad krets". Denna närhet säkerställer att signalen inte störs eller ändras. Vi kan därmed få extremt stabila och exakta mätningar."

Men det är inte allt. På grund av transistorernas storlek - 20 nanometer, som är hundra till tusen gånger mindre än tjockleken på ett hårstrå - det är möjligt att placera ett helt nätverk av sensorer på ett chip, med varje sensor som lokaliserar en annan partikel. "Vi kunde också upptäcka kalcium, natrium eller kalium i svett, ", utvecklar forskaren.

En sensor med exceptionell stabilitet

Tekniken som utvecklats vid EPFL sticker ut från sina konkurrenter eftersom den är extremt stabil, kompatibel med befintlig elektronik (CMOS), ultralåg effekt och lätt att reproducera i stora mängder sensorer. "Inom området biosensorer, forskning kring nanoteknik är intensiv, särskilt när det gäller nanotrådar och nanorör av kisel. Men dessa tekniker är ofta instabila och därför oanvändbara för närvarande i industriella tillämpningar, " säger Ionescu. "När det gäller vår sensor, vi utgick från extremt kraftfulla, avancerad teknologi och anpassade den för avkänningsbehov i en vätskeport FinFET-konfigurationer. Precisionen i elektroniken är sådan att det är lätt att klona vår enhet i miljoner med identiska egenskaper."

Dessutom, Tekniken är inte energikrävande. "Vi kan mata 10, 000 sensorer med en enda solcell, ", hävdar professor Ionescu.

Att välja rätt teknik och rätt arkitektur

Än så länge, testerna har utförts genom att vätskan har cirkulerats med en liten pump. Forskare arbetar för närvarande på ett sätt att suga in svetten i mikrofluidröret via wicking. Detta skulle befria det lilla analyserande "plåstret" från behovet av en ansluten pump.