Moverse, grafeno. Atómicamente delgado, bidimensional, El material semiconductor ultrasensible para biosensores desarrollado por investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara promete ampliar los límites de la tecnología de biosensores en muchos campos. desde el cuidado de la salud hasta la protección del medio ambiente y las industrias forenses.

Basado en disulfuro de molibdeno o molibdenita (MoS2), el material del biosensor, que se usa comúnmente como lubricante seco, supera la ya alta sensibilidad del grafeno, ofrece una mejor escalabilidad y se presta a la fabricación de grandes volúmenes. Los resultados del estudio de los investigadores se han publicado en ACS Nano .

"Esta invención ha sentado las bases para una nueva generación de biosensores ultrasensibles y de bajo costo que eventualmente pueden permitir la detección de una sola molécula, el santo grial de la investigación de diagnóstico y bioingeniería, "dijo Samir Mitragotri, coautor y profesor de ingeniería química y director del Centro de Bioingeniería de la UCSB. "La detección y el diagnóstico son un área clave de la investigación en bioingeniería en UCSB y este estudio representa un excelente ejemplo de las competencias multifacéticas de UCSB en este apasionante campo".

La clave, según el profesor de ingeniería eléctrica e informática de la UCSB, Kaustav Banerjee, quién dirigió esta investigación, es la banda prohibida de MoS2, la característica de un material que determina su conductividad eléctrica.

Los materiales semiconductores tienen una brecha de banda pequeña pero distinta de cero y se pueden cambiar entre estados conductores y aislados de manera controlable. Cuanto mayor sea la brecha de banda, mejor será su capacidad para cambiar de estado y aislar la corriente de fuga en un estado aislado. La amplia banda prohibida de MoS2 permite que la corriente viaje, pero también evita las fugas y da como resultado lecturas más sensibles y precisas.

Si bien el grafeno ha atraído un gran interés como biosensor debido a su naturaleza bidimensional que permite un excelente control electrostático del canal del transistor por la puerta, y alta relación superficie-volumen, la sensibilidad de un biosensor de transistor de efecto de campo de grafeno (FET) está fundamentalmente restringida por la brecha de banda cero del grafeno que da como resultado un aumento de la corriente de fuga, conduciendo a una sensibilidad reducida, explicó Banerjee, quien también es el director del Laboratorio de Investigación de Nanoelectrónica en UCSB.

Se ha utilizado grafeno, entre otras cosas, para diseñar FET:dispositivos que regulan el flujo de electrones a través de un canal a través de un campo eléctrico vertical dirigido al canal por una terminal llamada "puerta". En electrónica digital, estos transistores controlan el flujo de electricidad a través de un circuito integrado y permiten la amplificación y la conmutación.

En el ámbito de la biodetección, se quita la puerta física, y la corriente en el canal está modulada por la unión entre las moléculas receptoras incluidas y las biomoléculas diana cargadas a las que están expuestas. El grafeno ha recibido un gran interés en el campo de los biosensores y se ha utilizado para revestir el canal y actuar como un elemento sensor cuyo potencial de superficie (o conductividad) puede ser modulado por la interacción (conocida como conjugación) entre el receptor y las moléculas objetivo que da como resultado acumulación neta de cargas sobre la región de la puerta.

Sin embargo, dijo el equipo de investigación, a pesar de las excelentes características del grafeno, su rendimiento está limitado por su banda prohibida cero. Los electrones viajan libremente a través de un FET de grafeno; por lo tanto, no se puede "apagar", lo que en este caso da como resultado fugas de corriente y un mayor potencial de inexactitudes.

Mucha investigación en la comunidad del grafeno se ha dedicado a compensar esta deficiencia, ya sea modelando el grafeno para hacer nanocintas o introduciendo defectos en la capa de grafeno, o usando grafeno bicapa apilado en un patrón determinado que permite la apertura de la banda prohibida al aplicar un campo eléctrico vertical, para un mejor control y detección de la corriente.

Ingrese MoS2, un material que ya está haciendo olas en el mundo de los semiconductores por las similitudes que comparte con el grafeno, incluyendo su estructura hexagonal atómicamente delgada, y naturaleza plana, así como lo que puede hacer que el grafeno no puede:actuar como un semiconductor.

"El MoS2 monocapa o de pocas capas tiene una ventaja clave sobre el grafeno para diseñar un biosensor FET:tienen una banda prohibida relativamente grande y uniforme (1.2-1.8 eV, dependiendo del número de capas) que reduce significativamente la corriente de fuga y aumenta la brusquedad del comportamiento de encendido de los FET, aumentando así la sensibilidad del biosensor, "dijo Banerjee.

Adicionalmente, según Deblina Sarkar, estudiante de doctorado en el laboratorio de Banerjee y autor principal del artículo, El MoS2 bidimensional es relativamente sencillo de fabricar.

"Si bien los materiales unidimensionales como los nanotubos de carbono y los nanocables también permiten una excelente electrostática y, al mismo tiempo, poseen una banda prohibida, no son adecuados para la producción en masa de bajo costo debido a la complejidad de sus procesos, ", dijo." Además, la longitud del canal del biosensor MoS2 FET se puede reducir a dimensiones similares a las de las biomoléculas pequeñas, como el ADN o las proteínas pequeñas, manteniendo una buena electrostática, que puede conducir a una alta sensibilidad incluso para la detección de cuantos únicos de estas especies biomoleculares, " ella añadió.

"De hecho, MoS2 atómicamente delgado proporciona lo mejor de todo:excelente electrostática debido a su cuerpo ultradelgado, escalabilidad (debido a la gran banda prohibida), así como la posibilidad de patrones debido a su naturaleza plana que es esencial para la fabricación de alto volumen, "dijo Banerjee.

Los biosensores MoS2 demostrados por el equipo de UCSB ya han proporcionado detección de proteínas ultrasensibles y específicas con una sensibilidad de 196 incluso a concentraciones de 100 femtomolar (una mil millonésima de millonésima de mol). Esta concentración de proteína es similar a una gota de leche disuelta en cien toneladas de agua. En el mismo trabajo también se demuestra un sensor de pH basado en MoS2 que logra una sensibilidad tan alta como 713 para un cambio de pH en una unidad junto con un funcionamiento eficiente en un amplio rango de pH (3-9).

"Esta tecnología transformadora permite de baja potencia detección fisiológica de alto rendimiento que se puede multiplexar para detectar una serie de factores específicos de la enfermedad en tiempo real, "comentó Scott Hammond, director ejecutivo de los Laboratorios de Investigación en Medicina Traslacional de UCSB.

Los biosensores basados ​​en FET convencionales han ido ganando impulso como tecnología viable para la medicina, industrias forenses y de seguridad, ya que son rentables en comparación con los procedimientos de detección óptica. Dichos biosensores permiten la escalabilidad y la detección de biomoléculas sin etiquetas, eliminando el paso y el gasto de etiquetar las moléculas objetivo con tinte fluorescente. "En esencia, "continuó Hammond, "la promesa de una verdadera basada en la evidencia, la medicina personalizada finalmente se está convirtiendo en una realidad ".

"Esta demostración es bastante notable, "dijo Andras Kis, profesor de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suiza y un científico líder en el campo de materiales y dispositivos 2D. "En el presente, La comunidad científica de todo el mundo está buscando activamente aplicaciones prácticas de materiales semiconductores 2D como las nanohojas de MoS2. El profesor Banerjee y su equipo han identificado una aplicación revolucionaria de estos nanomateriales y han dado un nuevo impulso al desarrollo de biosensores ultrasensibles de bajo consumo y bajo coste. "continuó Kis, que no está conectado al proyecto.