Ученые создали «орган чувств» из меди и оксида графена

В МФТИ разработали биосенсорные чипы беспрецедентно высокой чувствительности на основе меди вместо традиционного для таких устройств золота.

2 582

Выбор редакции

Ученые создали «орган чувств» из меди и оксида графена

Ученые создали «орган чувств» из меди и оксида графена

Такая замена не только снизит цену, но и существенно облегчит производство биосенсоров с технологической точки зрения. Результаты исследования представлены в журнале Langmuir, названном в честь американского химика Ирвинга Ленгмюра, который получил Нобелевскую премию по химии в 1932 году «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений».

 

Сейчас ведущие фармацевтические компании используют биосенсорные чипы для разработки всех видов лекарств. Такие чипы являются незаменимым инструментом для изучения кинетики молекулярных взаимодействий, а еще они могут стать основой всевозможных химических анализаторов — для выявления опасных веществ в окружающей среде или продуктах питания, поиска молекул-маркеров заболеваний, обнаружения утечек в химической промышленности и так далее.

 

Ключевой особенностью разработки российских ученых из лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ является использование при создании основного чувствительного элемента биосенсора таких материалов, как медь и оксид графена. Это позволило достичь беспрецедентной чувствительности без значительных изменений в конфигурации биосенсорного чипа, что делает его совместимым с существующими коммерческими биосенсорами: например, Biacore, Reichert, BioNavis или BiOptix.

 

«Наша разработка — важный этап в развитии технологии производства биологических сенсоров, основанных на фотонных и электронных технологиях, — говорит Валентин Волков, руководитель лаборатории нанооптики и плазмоники 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. Причины тому — отличные оптические свойства золота и его высокая химическая стабильность. Но у вещества есть и серьезные недостатки. Во-первых, высокая стоимость. Если сравнивать высокочистые материалы, то золото более чем в 25 раз дороже меди. Во-вторых, золото — материал, несовместимый с микроэлектронным производством, что серьезно ограничивает массовое производство устройств на его основе.

 

Этих недостатков лишена медь. Она обладает оптическими свойствами не хуже золота и используется в качестве проводника электричества в современной микроэлектронике. Однако она быстро окисляется, что и мешало ее использованию в биочипах. Проблему окисляемости меди при взаимодействии с окружающей средой решили исследователями из МФТИ за счет нанесения поверх металла тонкого, всего 10 нанометров, диэлектрического слоя, 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 впервые получил известный химик, профессор Оксфордского университета, Бенджамин Броди еще в 1859 году, но в наше время этот материал фактически заново родился после открытия российскими учеными из Манчестерского университета, выпускниками МФТИ Андреем Геймом и Константином Новоселовым первого двумерного материала — графена. За передовые исследования с графеном они в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике.

 

Биосенсорные чипы из меди и оксида графена — это будущее многих технологий / Lion_on_helium, пресс-служба МФТИ

Биосенсорные чипы из меди и оксида графена — это будущее многих технологий / Lion_on_helium, пресс-служба МФТИ

 

Оксид графена представляет собой углеродную кристаллическую решетку графена с дополнительными оксидсодержащими функциональными группами, которые были использованы в качестве устойчивых неподвижных «якорей» для прикрепления белковых молекул к поверхности. Ранее авторы данной разработки уже использовали оксид графена для увеличения чувствительности стандартных биосенсоров на основе золота. С медью этот материал также продемонстрировал высокую чувствительность.

 

Использование меди вместо золота открывает путь к созданию компактных биосенсорных устройств для мобильных гаджетов, носимой электроники и «умной» одежды, благодаря возможности производить биосенсорные чипы с помощью отработанных технологий микроэлектроники. Ученые всего мира и гиганты электронной индустрии, такие как IBM и Samsung, активно работают над созданием компактных биосенсоров, которые можно будет встраивать в электронику, подобно тому, как сейчас в наших электронных устройствах присутствуют различные нано- и микроэлектромеханические сенсоры движения (акселерометры и гироскопы). Роль биосенсоров в будущем трудно переоценить, можно с уверенностью сказать, что благодаря им техника приобретет новый, отсутствующий в настоящее время орган чувств. И в данном случае это не просто метафора: крупнейшие корпорации работают над внедрением искусственного интеллекта, созданием умных гаджетов и разработкой биоинтерфейсов, которые обеспечивают взаимодействие мозга с компьютером. Сочетание этих технологий позволит в будущем создавать полноценные кибернетические организмы.

 

Юрий Стебунов, старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ / Евгений Пелевин, пресс-служба МФТИ

Юрий Стебунов, старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ / Евгений Пелевин, пресс-служба МФТИ

 

«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 случае позволяют повысить чувствительность биосенсора, — говорит Юрий Стебунов, ведущий автор исследования и старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники 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».

 

Naked Science Facebook VK Twitter
Физтех
88Статей
Московский физико-технический институт (МФТИ). Блог о последних научных открытиях ученых МФТИ и других российских вузов и исследовательских центров в различных областях науки, от астрофизики до генной инженерии.
2 582

Комментарии
Аватар пользователя Сергей Огарков
4 ч
Оооууууу, свет в конце туннеля это движение в...
Аватар пользователя Иван Орлов
4 ч
Серьезно? "СведенЬя"?...
Аватар пользователя Сергей Огарков
4 ч
Большой взрыв это лишь выдумка, глядя на происходящее...

Колумнисты

Физтех
88Статей
Сколтех
33Статьи
Discovery Channel
25Статей
СО РАН
6Статей
Комментарии

Быстрый вход

или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку