В МФТИ разработали биосенсорные чипы беспрецедентно высокой чувствительности на основе меди вместо традиционного для таких устройств золота.
Ученые создали «орган чувств» из меди и оксида графена / ©Пресс-служба МФТИ
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.
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.
«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».
