Россия: золото в биосенсорах заменили медью

Российские ученые разработали биосенсорные чипы беспрецедентно высокой чувствительности на основе меди. Исследователи использовали этот металл вместо традиционного для таких устройств золота, что позволит не только снизить цену конечного продукта, но и существенно облегчит производство биосенсоров с технологической точки зрения. Результаты исследования исследователей из МФТИ, Сколково и Университета Южной Дании представлены в журнале Langmuir и поддержаны грантом Российского научного фонда (их можно посмотреть здесь).
В настоящее время биосенсорные чипы используют в ведущих фармацевтических компаниях для разработки всех видов лекарств. Такие чипы незаменимы для изучения кинетики молекулярных взаимодействий, а также могут стать основой всевозможных химических анализаторов для выявления опасных веществ в окружающей среде или продуктах питания, поиска молекул-маркеров заболеваний и обнаружения утечек в химической промышленности.
При создании основного чувствительного элемента биосенсора ученые использовали медь и оксид графена. Это позволило достичь беспрецедентной чувствительности без значительных изменений в конфигурации чипа, что делает его совместимым с существующими коммерческими биосенсорами, например, такими как Biacore, Reichert, BioNavis или BiOptix.
«Наша разработка — важный этап в развитии технологии производства биологических сенсоров, основанных на фотонных и электронных технологиях, — говорит соавтор работы Валентин Волков из МФТИ. — Взяв за основу стандартные технологические процессы и медь, объединив их с таким перспективным материалом, как оксид графена, мы продемонстрировали их высокую эффективность и тем самым открыли новое направление исследований в области разработки биологических сенсоров».
Золото — традиционный материал для оптоэлектроники и фотоники. Чувствительный элемент практически всех коммерческих биосенсоров включает золотые пленки толщиной несколько десятков нанометров, что объясняется отличными оптическими свойствами золота и его высокой химической стабильностью. Но у золота есть и серьезные недостатки — его высокая стоимость и несовместимость с микроэлектронным производством, что серьезно ограничивает массовое производство устройств на основе этого металла.
Медь обладает оптическими свойствами не хуже золота и используется в качестве проводника в современной микроэлектронике, но, к сожалению, быстро окисляется, что и мешало использовать ее в биочипах. Исследователи решили эту проблему за счет нанесения поверх металла тонкого диэлектрического слоя толщиной 10 нанометров, который также изменил оптические свойства биосенсорных чипов и сделал их более чувствительными к анализируемым объектам.
Вторая важная особенность новой разработки, позволившая добиться беспрецедентной чувствительности — использование специального слоя из оксида графена поверх медного покрытия и диэлектрика. Оксид графена представляет собой углеродную кристаллическую решетку графена с дополнительными функциональными группами, которые были использованы в качестве устойчивых неподвижных «якорей» для прикрепления белковых молекул к поверхности. Ранее авторами данной разработки оксид графена уже был использован для увеличения чувствительности стандартных биосенсоров на основе золота. С медью этот материал также продемонстрировал высокую чувствительность.
«Известно, что медь не приемлет воздействия окружающей среды. Мы показали, что защитные диэлектрические пленки толщиной всего лишь десятки нанометров не только эффективно защищают медь, но в ряде случаев позволяют повысить чувствительность биосенсора, — говорит ведущий автор исследования Юрий Стебунов из МФТИ. — Мы не останавливаемся на чисто научных исследованиях, наша разработка до конца года станет доступной для потенциальных потребителей. Предложенные нами технологии могут быть использованы для создания миниатюрных сенсоров и нейроинтерфейсов, и это то, над чем мы сейчас работаем».
Использование меди вместо золота в биосенсорных устройствах открывает путь к созданию компактных биосенсорных устройств для мобильных гаджетов, носимой электроники и «умной» одежды благодаря возможности производить чипы с помощью отработанных технологий микроэлектроники. Ученые из многих научных коллективов мира сейчас активно работают над созданием компактных биосенсоров, которые можно будет встраивать в электронику, по аналогии с современными электронными устройствами, содержащими различные сенсоры движения, такие как акселерометры и гироскопы. Разрабатываемая технология позволит реализовать новые идеи, такие как взаимодействие мозга с компьютером. (indicator.ru/Металл Украины и мира)