Исследователи Калифорнийского университета в Санта-Барбаре демонстрируют атомарно тонкие, сверхчувствительные и масштабируемые биосенсоры на основе полевых транзисторов на основе дисульфида молибдена и устанавливают их потенциал для обнаружения одиночных молекул.
Подвинься, графен. Атомарно тонкий, двумерный, сверхчувствительный полупроводниковый материал для биосенсоров, разработанный исследователями из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, обещает раздвинуть границы технологий биосенсоров во многих областях, от здравоохранения до защиты окружающей среды и судебно-медицинской экспертизы.
Основанный на дисульфиде молибдена или молибдените (MoS2) биосенсорный материал, который обычно используется в качестве сухой смазки, превосходит графен по уже и без того высокой чувствительности, обеспечивает лучшую масштабируемость и подходит для крупносерийное производство. Результаты исследования ученых опубликованы в журнале 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 UCSB. «Обнаружение и диагностика являются ключевой областью биоинженерных исследований в UCSB, и это исследование представляет собой отличный пример многогранных компетенций UCSB в этой захватывающей области».
Ключевой, по словам профессора электротехники и вычислительной техники UCSB Каустава Банерджи, руководившего этим исследованием, является ширина запрещенной зоны MoS2, характеристика материала, которая определяет его электропроводность.
Полупроводниковые материалы имеют небольшую, но не нулевую ширину запрещенной зоны и могут контролируемо переключаться 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 обеспечивает превосходный электростатический контроль канала транзистора с помощью затвора, и высокого отношения поверхности к объему, чувствительность графенового поля- Биосенсор на эффектном транзисторе (FET) фундаментально ограничен нулевой шириной запрещенной зоны графена, что приводит к увеличению тока утечки, что приводит к снижению чувствительности, объяснил Банерджи, который также является директором исследовательской лаборатории наноэлектроники в UCSB.
Графен использовался, среди прочего, для разработки полевых транзисторов - устройств, которые регулируют поток электронов через канал с помощью вертикального электрического поля, направленного в канал терминалом, называемым «воротом». В цифровой электронике эти транзисторы управляют потоком электричества по всей интегральной схеме и обеспечивают усиление и переключение.
В области биосенсоров физические ворота удаляются, а ток в канале модулируется за счет связывания между встроенными молекулами рецептора и заряженными биомолекулами-мишенями, воздействию которых они подвергаются. Графен вызвал широкий интерес в области биосенсоров и использовался для выравнивания канала и действия в качестве чувствительного элемента, чей поверхностный потенциал (или проводимость) можно модулировать путем взаимодействия (известного как конъюгация) между рецептором и молекулами-мишенями, что приводит к чистое накопление зарядов над областью затвора.
Однако, по словам исследовательской группы, несмотря на отличные характеристики графена, его производительность ограничена нулевой запрещенной зоной. Электроны свободно перемещаются по графеновому полевому транзистору - следовательно, его нельзя «выключить», что в данном случае приводит к утечке тока и более высокому потенциалу неточностей.
Многие исследования в графеновом сообществе были посвящены компенсации этого недостатка, либо путем формирования графена для создания нанолент, либо путем внесения дефектов в графеновый слой, либо с использованием двухслойного графена, уложенного по определенной схеме, которая позволяет открывать запрещенную зону. при приложении вертикального электрического поля - для лучшего контроля и обнаружения тока.
Введите MoS2,материал, который уже произвел фурор в мире полупроводников из-за сходства, которое он разделяет с графеном, включая его атомарно тонкую гексагональную структуру и плоскую природу, а также что он может такого, чего не может графен: вести себя как полупроводник.
Монослойный или малослойный MoS2 имеют ключевое преимущество перед графеном для разработки биосенсора на полевых транзисторах: они имеют относительно большую и однородную ширину запрещенной зоны (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.
«Хотя одномерные материалы, такие как углеродные нанотрубки и нанопроволоки, также обеспечивают превосходную электростатичность и в то же время обладают запрещенной зоной, они не подходят для недорогого массового производства из-за сложности их технологического процесса», - сказала она. «Более того, длина канала биосенсора MoS2 FET может быть уменьшена до размеров, аналогичных размерам небольших биомолекул, таких как ДНК или небольшие белки, при сохранении хорошей электростатики, что может привести к высокая чувствительность даже для обнаружения одиночных квантов этих биомолекулярных видов», - добавила она.
На самом деле атомарно тонкий MoS2 обеспечивает лучшее из всего: отличную электростатичность благодаря ультратонкому корпусу, масштабируемость (из-за большой ширины запрещенной зоны), а также как моделируемость из-за их плоскостной природы, что важно для крупносерийного производства», - сказал Банерджи.
MoS2 биосенсоры, продемонстрированные группой UCSB, уже обеспечили сверхчувствительное и специфическое обнаружение белка с чувствительностью 196 даже при 100 фемтомолярных (одна миллиардная миллионной части моля).) концентрации. Эта концентрация белка подобна одной капле молока, растворенной в сотне тонн воды. Датчик pH на основе MoS2, обеспечивающий чувствительность до 713 при изменении pH на одну единицу наряду с эффективной работой в широком диапазоне pH (3-9), также продемонстрирован в том же работа.
«Эта преобразующая технология обеспечивает высокоспецифичное, маломощное и высокопроизводительное физиологическое зондирование, которое можно мультиплексировать для обнаружения ряда важных факторов, специфичных для заболевания, в режиме реального времени», - прокомментировал Скотт Хаммонд, исполнительный директор UCSB. Лаборатории исследований трансляционной медицины.
Биосенсоры на основе обычных полевых транзисторов набирают обороты в качестве жизнеспособной технологии для медицины, криминалистики и безопасности, поскольку они экономически эффективны по сравнению с оптическими процедурами обнаружения. Такие биосенсоры обеспечивают масштабируемость и обнаружение биомолекул без меток, исключая шаг и затраты на мечение молекул-мишеней флуоресцентным красителем. «В сущности, - продолжил Хаммонд, - обещание настоящей персонализированной медицины, основанной на доказательствах, наконец-то становится реальностью».
«Эта демонстрация весьма примечательна», - сказал Андраш 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 практическое применение двумерных полупроводниковых материалов, таких как нанолисты MoS2. Профессор Банерджи и его команда определили революционное применение этих наноматериалов и придали новый импульс для разработки маломощных и недорогих сверхчувствительных биосенсоров», - продолжил Кис, не связанный с проектом.
Вей Лю и Сюэцзюнь Се из Департамента электротехники и вычислительной техники UCSB и Аарон Ансельмо из Департамента химического машиностроения также провели исследования для этого исследования. Исследования по этому проекту были поддержаны Национальным научным фондом, Калифорнийским институтом наносистем при Калифорнийском университете и Лабораторией исследования материалов при Калифорнийском университете, Национальным научным фондом MRSEC.