Investigadores rusos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú han desarrollado chips biosensores de sensibilidad sin precedentes basados ​​en cobre en lugar de oro. Además de hacer que el dispositivo sea algo más económico, esta innovación facilitará el proceso de fabricación. Los resultados de la investigación se publican en la revista. Langmuir .

Las empresas farmacéuticas utilizan chips de biosensores para desarrollar fármacos. Estos chips también son indispensables para estudiar la cinética de las interacciones moleculares. Es más, podrían servir como base para los analizadores químicos utilizados para encontrar marcadores moleculares de enfermedades y para detectar sustancias peligrosas en los alimentos o el medio ambiente, incluyendo fugas de plantas químicas, entre otras cosas.

El equipo de investigación ruso del Laboratorio de Nanoóptica y Plasmónica del Centro de Fotónica y Materiales 2-D del MIPT ha desarrollado un chip sensor basado en materiales no convencionales:cobre y óxido de grafeno. Como resultado, su dispositivo alcanza una sensibilidad inigualable. Su configuración es mayoritariamente estándar, y por lo tanto compatible con biosensores comerciales existentes como los de Biacore, Reichert, BioNavis y BiOptix.

"Nuestra solución de ingeniería es un paso importante hacia el desarrollo de sensores biológicos basados ​​en tecnología fotónica y electrónica, "dice Valentyn Volkov, profesor de la Universidad del Sur de Dinamarca, quien también dirige el Laboratorio de Nanoóptica y Plasmónica en MIPT. "Al confiar en tecnologías de fabricación estándar y combinar cobre con óxido de grafeno, un material que tiene un gran potencial, logramos una eficacia demostrablemente alta. Esto abre nuevas vías para el desarrollo de biosensores".

El material más utilizado en optoelectrónica y fotónica es el oro. Casi todos los chips biosensores comerciales incorporan películas de oro de varias decenas de nanómetros de espesor:un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro. La razón por la que el oro es tan omnipresente es que tiene excelentes propiedades ópticas y es químicamente muy estable. Pero el oro no es perfecto, es caro, más de 25 veces más caro que el cobre de alta pureza. Y el oro es incompatible con los procesos industriales utilizados para la fabricación de microelectrónica, lo que limita severamente su potencial de aplicación en la producción masiva de dispositivos.

A diferencia del oro, el cobre no tiene estos defectos. Sus propiedades ópticas están a la par con las del oro. El cobre se utiliza como conductor eléctrico en microelectrónica. Sin embargo, sufre de oxidación, o corrosión, y por tanto no se ha utilizado en biochips. Ahora, Los investigadores del MIPT han resuelto este problema cubriendo el metal con una capa dieléctrica de 10 nanómetros. Además de prevenir la oxidación, esto alteró las propiedades ópticas del chip, haciéndolo más sensible.

Para perfeccionar aún más el diseño de su biosensor, los autores agregaron una capa de óxido de grafeno sobre las películas de cobre y dieléctricas, permitiendo una sensibilidad sin precedentes. Este tercer material fue obtenido originalmente en 1859 como óxido de grafito por el profesor de la Universidad de Oxford Benjamin C. Brodie Jr., un químico inglés de renombre. Más tarde, El óxido de grafeno experimentó una especie de resurgimiento tras el descubrimiento del grafeno, el primer material bidimensional conocido, por los físicos de la Universidad de Manchester nacidos en Rusia y graduados del MIPT Andre Geim y Konstantin Novoselov. El trabajo sobre el grafeno les valió el Premio Nobel de Física de 2010. El óxido de grafeno se puede visualizar como grafeno, una hoja unidimensional de átomos de carbono unidos en una disposición de panal con grupos que contienen oxígeno colgando de algunos de los átomos de carbono. Estos grupos proporcionan un vínculo entre la superficie del dispositivo y las moléculas de proteína que se analizan. En un estudio anterior, los autores utilizaron óxido de grafeno para aumentar la sensibilidad de los biosensores estándar basados ​​en oro. El material también demostró ser beneficioso para los sensores de cobre.

Reemplazar el oro por cobre abre el camino para el desarrollo de dispositivos biosensores compactos que se implementarán en los teléfonos inteligentes, artilugios portátiles, dispositivos portátiles, y ropa elegante, porque los chips a base de cobre son compatibles con la tecnología microelectrónica convencional. Globalmente Los científicos y los gigantes de la industria electrónica como IBM y Samsung están haciendo un gran esfuerzo para crear biosensores compactos que puedan integrarse en dispositivos electrónicos análogos a los nano y microelectromecánicos y giroscopios actuales. Es difícil sobreestimar el impacto que tendrían los biosensores:los dispositivos adquirirían un nuevo órgano sensorial. Y esto no es meramente una metáfora:las grandes corporaciones están trabajando en tecnologías para habilitar la IA, artilugios inteligentes, y biointerfaces que servirían como mediadores entre el cerebro humano y las computadoras. Una combinación de estas tecnologías podría dar lugar a organismos cibernéticos reales.

"Se sabe que el cobre es susceptible a la influencia corrosiva del medio ambiente. Hemos demostrado que las películas dieléctricas protectoras de solo decenas de nanómetros de espesor hacen más que simplemente prevenir la oxidación; en algunos casos, aumentan la sensibilidad del biosensor, "dice Yury Stebunov, el autor principal del artículo y cofundador y director ejecutivo de GrapheneTek LLC. "No vemos la investigación puramente fundamental como el destino final. Nuestra solución estará disponible para los clientes potenciales antes de fin de año. Las tecnologías propuestas en este estudio podrían usarse para crear sensores e interfaces neuronales en miniatura," y eso es en lo que estamos trabajando ahora mismo ".