Двигайся, графен. Атомарно тонкий, двумерный, сверхчувствительный полупроводниковый материал для биочувствительности, разработанный исследователями из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, обещает расширить границы биосенсорных технологий во многих областях, от здравоохранения до защиты окружающей среды и судебной экспертизы.
Основанный на дисульфиде молибдена или молибдените (MoS2), биосенсорный материал, обычно используемый в качестве сухой смазки, превосходит и без того высокую чувствительность графена, предлагает лучшую масштабируемость и подходит для крупносерийного производства. Результаты исследования опубликованы в ACS Nano.
«Это изобретение заложило основу для нового поколения сверхчувствительных и недорогих биосенсоров, которые в конечном итоге могут позволить обнаруживать отдельные молекулы – святой Грааль диагностики и биоинженерных исследований», – сказал Самир Митраготри, соавтор и профессор химической инженерии. и директор Центра биоинженерии при UCSB. «Обнаружение и диагностика являются ключевой областью исследований в области биоинженерии в UCSB, и это исследование представляет собой отличный пример многогранной компетенции UCSB в этой захватывающей области."
По словам профессора электротехники и вычислительной техники UCSB Каустава Банерджи, руководившего этим исследованием, ключевым моментом является ширина запрещенной зоны MoS2, характеристика материала, определяющая его электропроводность.
Полупроводниковые материалы имеют небольшую, но ненулевую запрещенную зону, и их можно контролировать между проводящим и изолированным состояниями. Чем больше ширина запрещенной зоны, тем лучше его способность переключать состояния и изолировать ток утечки в изолированном состоянии.
Широкая запрещенная зона MoS2 позволяет току проходить, но также предотвращает утечку и приводит к более чувствительным и точным показаниям.
Ограничения графена
В то время как графен вызвал широкий интерес в качестве биосенсора из-за его двумерной природы, которая позволяет превосходное электростатическое управление каналом транзистора с помощью затвора, и высокого отношения поверхности к объему, чувствительность графенового полевого транзистора (FET) Биосенсор принципиально ограничен нулевой запрещенной зоной графена, что приводит к увеличению тока утечки, что приводит к снижению чувствительности, объяснил Банерджи, который также является директором Исследовательской лаборатории наноэлектроники в UCSB.
Среди прочего, графен использовался для создания полевых транзисторов – устройств, которые регулируют поток электронов через канал с помощью вертикального электрического поля, направляемого в канал с помощью терминала, называемого «затвором».«В цифровой электронике эти транзисторы управляют потоком электричества через интегральную схему и позволяют осуществлять усиление и переключение.
В сфере биочувствительности физические ворота удаляются, и ток в канале модулируется за счет связывания между встроенными молекулами рецептора и заряженными биомолекулами-мишенями, которым они подвергаются. Графен вызвал широкий интерес в области биочувствительности и использовался для выравнивания канала и действия как чувствительный элемент, поверхностный потенциал (или проводимость) которого может модулироваться взаимодействием (известным как конъюгация) между рецептором и целевыми молекулами, что приводит к чистое накопление зарядов в зоне ворот.
Однако, по словам исследовательской группы, несмотря на превосходные характеристики графена, его производительность ограничена нулевой шириной запрещенной зоны. Электроны свободно проходят через графеновый полевой транзистор – следовательно, его нельзя «выключить» – что в этом случае приводит к утечкам тока и более высокому потенциалу неточностей.
Многие исследования в сообществе графена были посвящены компенсации этого недостатка, либо путем создания рисунка из графена для создания нанолент, либо путем введения дефектов в графеновый слой, либо использования двухслойного графена, уложенного в определенную структуру, которая позволяет открывать запрещенную зону при применении вертикальное электрическое поле – для лучшего контроля и обнаружения тока.
Рассмотрим MoS2, материал, уже создающий волны в мире полупроводников из-за сходства, которое он разделяет с графеном, включая его атомарно тонкую гексагональную структуру и планарную природу, а также то, что он может делать, чего не может графен: действовать как полупроводник.
«Монослой или несколько слоев MoS2 имеют ключевое преимущество перед графеном при разработке биосенсора на полевых транзисторах: они имеют относительно большую и однородную запрещенную зону (1.2-1.8 эВ, в зависимости от количества слоев), что значительно снижает ток утечки и увеличивает резкость включения полевых транзисторов, тем самым повышая чувствительность биосенсора », – сказал Банерджи.
‘Лучшее из всего’
Кроме того, по словам Деблины Саркар, аспиранта лаборатории Банерджи и ведущего автора статьи, двухмерный MoS2 относительно прост в изготовлении.
«В то время как одномерные материалы, такие как углеродные нанотрубки и нанопроволоки, также обладают отличными электростатическими свойствами и в то же время обладают запрещенной зоной, они не подходят для недорогого массового производства из-за сложности процесса», – сказала она. «Более того, длину канала биосенсора MoS2 FET можно уменьшить до размеров, аналогичных размерам малых биомолекул, таких как ДНК или небольшие белки, при сохранении хорошей электростатики, что может привести к высокой чувствительности даже для обнаружения единичных квантов этих биомолекулярных молекул. виды ", – добавила она.
«Фактически, атомарно тонкий MoS2 обеспечивает лучшее из всего: отличные электростатические свойства благодаря их ультратонкому корпусу, масштабируемость (из-за большой ширины запрещенной зоны), а также возможность создания рисунков благодаря их планарной природе, что важно для крупносерийного производства, "сказал Банерджи.
Биосенсоры MoS2, продемонстрированные командой UCSB, уже обеспечили сверхчувствительное и специфическое определение белка с чувствительностью 196 даже при 100 фемтомолярных (миллиардная часть миллионной доли моля) концентрациях. Эта концентрация белка аналогична одной капле молока, растворенной в сотне тонн воды. Датчик pH на основе MoS2, обеспечивающий чувствительность до 713 при изменении pH на одну единицу, а также эффективная работа в широком диапазоне pH (3-9), также продемонстрирован в той же работе.
«Эта трансформирующая технология обеспечивает высокоспецифичное физиологическое зондирование с низким энергопотреблением и высокой пропускной способностью, которое может быть мультиплексировано для обнаружения ряда значимых, специфических для болезни факторов в режиме реального времени», – прокомментировал Скотт Хаммонд, исполнительный директор Исследовательских лабораторий трансляционной медицины UCSB.
Биосенсоры на основе обычных полевых транзисторов набирают обороты как жизнеспособная технология для медицины, судебной медицины и безопасности, поскольку они экономичны по сравнению с процедурами оптического обнаружения.
Такие биосенсоры обеспечивают масштабируемость и обнаружение биомолекул без меток, устраняя необходимость и затраты на маркировку целевых молекул флуоресцентным красителем. «По сути, – продолжил Хаммонд, – обещание истинной, основанной на фактических данных, персонализированной медицины, наконец, становится реальностью."
«Эта демонстрация весьма примечательна», – сказал Андрас Кис, профессор Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии и ведущий ученый в области 2D-материалов и устройств. «В настоящее время научное сообщество во всем мире активно ищет практические применения двумерных полупроводниковых материалов, таких как нанолисты MoS2. Профессор Банерджи и его команда определили революционное применение этих наноматериалов и дали новый импульс развитию маломощных и недорогих сверхчувствительных биосенсоров », – продолжил Кис, не имеющий отношения к проекту.
Вэй Лю и Сюэцзюнь Се из отдела электротехники и вычислительной техники UCSB и Аарон Ансельмо из отдела химического машиностроения также провели исследование для этого исследования. Исследования по этому проекту были поддержаны Национальным научным фондом, Калифорнийским институтом наносистем при UCSB и Лабораторией исследования материалов при UCSB, Национальным научным фондом MRSEC.