Иллюстрация. Биосенсорные чипы из меди и оксида графена — это будущее многих технологий. Дизайнер: Lion_on_helium, пресс-служба МФТИ
Российские ученые из Московского физико-технического института разработали биосенсорные чипы беспрецедентно высокой чувствительности на основе меди вместо традиционного для таких устройств золота. Такая замена не только несколько снизит цену, но и существенно облегчит производство биосенсоров с технологической точки зрения. Результаты исследования представлены в журнале Langmuir, получившем название в честь американского химика Ирвинга Ленгмюра, который получил Нобелевскую премию по химии 1932 года «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений».
В настоящее время биосенсорные чипы используются ведущими фармацевтическими компаниями для разработки всех видов лекарств. Такие чипы являются незаменимым инструментом для изучения кинетики молекулярных взаимодействий, а ещё 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 т. п.
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, такими как 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 этому — отличные оптические свойства золота и его высокая химическая стабильность. Но у золота есть и серьезные недостатки. Во-первых, его 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, но, что и мешало её использованию в биочипах, быстро окисляется. Проблема окисляемости меди при взаимодействии с окружающей средой была решена 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 получен известным химиком, профессором Оксфордского университета, Бенджамином Броди еще в 1859 году, однако в наше время этот материал фактически получил второе рождение с открытием российскими учёными из Манчестерского университета, выпускниками МФТИ Андреем Геймом и Константином Новосёловым 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 авторами данной разработки оксид графена уже был использован для увеличения чувствительности стандартных биосенсоров на основе золота. С медью этот материал также продемонстрировал высокую чувствительность.
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 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. Фотограф: Евгений Пелевин, пресс-служба МФТИ
«Известно, что медь не приемлет воздействия окружающей среды. Мы показали, что защитные диэлектрические плёнки 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».
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда № 17-79-20345. Для получения дополнительной информации об этой и других разработках посетите веб-сайт лаборатории нанооптики и плазмоники по адресу: http://nano.phystech.edu.
Ссылка на оригинальную статью: Yu.V. Stebunov, D.I. Yakubovsky, D.Yu. Fedyanin, A.V. Arsenin, V.S. Volkov, Superior sensitivity of copper-based plasmonic biosensors // Langmuir DOI: 10.1021/acs.langmuir.8b00276 (2018).
