Pesquisadores russos do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou desenvolveram chips biossensores de sensibilidade sem precedentes baseados em cobre em vez de ouro. Além de tornar o aparelho um pouco mais barato, esta inovação vai facilitar o processo de fabricação. Os resultados da pesquisa são relatados no jornal Langmuir .

Os chips biossensores são usados ​​por empresas farmacêuticas para desenvolver medicamentos. Esses chips também são indispensáveis ​​para estudar a cinética das interações moleculares. Além disso, eles podem servir de base para analisadores químicos usados ​​para encontrar marcadores moleculares de doenças e para detectar substâncias perigosas nos alimentos ou no meio ambiente, incluindo vazamentos de fábricas de produtos químicos, entre outras coisas.

A equipe de pesquisa russa do Laboratório de Nanoótica e Plasmônica do Centro de Fotônica e Materiais 2-D do MIPT desenvolveu um chip sensor baseado em materiais não convencionais:cobre e óxido de grafeno. Como resultado, seu dispositivo atinge uma sensibilidade incomparável. Sua configuração é principalmente padrão, e, portanto, compatível com biossensores comerciais existentes, como os da Biacore, Reichert, BioNavis e BiOptix.

"Nossa solução de engenharia é um passo importante para o desenvolvimento de sensores biológicos baseados em tecnologia fotônica e eletrônica, "diz Valentyn Volkov, professor da University of Southern Denmark, que também dirige o Laboratório de Nanoóptica e Plasmônica do MIPT. "Contando com tecnologias de fabricação padrão e combinando cobre com óxido de grafeno - um material que tem um grande potencial - alcançamos uma eficiência comprovadamente alta. Isso abre novos caminhos para o desenvolvimento de biossensores."

O material mais comum usado em optoeletrônica e fotônica é o ouro. Quase todos os chips biossensores comerciais incorporam filmes de ouro com várias dezenas de nanômetros de espessura - um nanômetro é um bilionésimo de um metro. A razão pela qual o ouro é tão onipresente é que ele tem excelentes propriedades ópticas e é quimicamente muito estável. Mas o ouro não é perfeito - é caro - 25 vezes mais caro que o cobre de alta pureza. E o ouro é incompatível com os processos industriais usados ​​para a fabricação de microeletrônica, o que limita severamente seu potencial de aplicação na produção em massa de dispositivos.

Ao contrário do ouro, o cobre não tem essas falhas. Suas propriedades ópticas são iguais às do ouro. O cobre é usado como condutor elétrico na microeletrônica. Contudo, sofre de oxidação, ou corrosão, e, portanto, não foi usado em biochips. Agora, Os pesquisadores do MIPT resolveram esse problema cobrindo o metal com uma camada dielétrica de 10 nanômetros. Além de prevenir a oxidação, isso alterou as propriedades ópticas do chip, tornando-o mais sensível.

Para refinar ainda mais o design do biossensor, os autores adicionaram uma camada de óxido de grafeno no topo dos filmes de cobre e dielétrico, permitindo uma sensibilidade sem precedentes. Este terceiro material foi obtido originalmente em 1859 como óxido de grafite pelo professor da Universidade de Oxford Benjamin C. Brodie Jr., um renomado químico inglês. Mais tarde, o óxido de grafeno experimentou uma espécie de renascimento após a descoberta do grafeno - o primeiro material bidimensional conhecido - pelos físicos nascidos na Rússia da Universidade de Manchester e graduados do MIPT Andre Geim e Konstantin Novoselov. O trabalho com o grafeno rendeu-lhes o Prêmio Nobel de Física de 2010. O óxido de grafeno pode ser visualizado como grafeno - uma folha unidimensional de átomos de carbono ligados em um arranjo de favo de mel com grupos contendo oxigênio pendurados em alguns dos átomos de carbono. Esses grupos fornecem um link entre a superfície do dispositivo e as moléculas de proteína que são analisadas. Em um estudo anterior, os autores usaram óxido de grafeno para aumentar a sensibilidade dos biossensores padrão baseados em ouro. O material provou ser benéfico também para sensores de cobre.

Substituir ouro por cobre abre caminho para o desenvolvimento de dispositivos compactos de biossensor a serem implementados em smartphones, dispositivos portáteis, dispositivos vestíveis, e roupas inteligentes, porque os chips baseados em cobre são compatíveis com a tecnologia microeletrônica convencional. Globalmente, cientistas e gigantes da indústria eletrônica, como IBM e Samsung, estão se esforçando muito para criar biossensores compactos que poderiam ser integrados a dispositivos eletrônicos análogos aos atuais acelerômetros e giroscópios nano e microeletromecânicos. É difícil superestimar o impacto que os biossensores teriam - os dispositivos adquiririam um novo órgão dos sentidos. E isso não é apenas uma metáfora - grandes corporações estão trabalhando em tecnologias para permitir a IA, dispositivos inteligentes, e biointerfaces que serviriam como mediadores entre o cérebro humano e os computadores. Uma combinação dessas tecnologias pode dar origem a verdadeiros organismos cibernéticos.

"É sabido que o cobre é suscetível à influência corrosiva do meio ambiente. Mostramos que filmes dielétricos de proteção com apenas dezenas de nanômetros de espessura fazem mais do que apenas prevenir a oxidação - em alguns casos, eles aumentam a sensibilidade do biossensor, "diz Yury Stebunov, o principal autor do artigo e co-fundador e CEO da GrapheneTek LLC. “Não vemos a pesquisa puramente fundamental como destino final. Nossa solução estará disponível para clientes em potencial antes do final do ano. As tecnologias propostas neste estudo podem ser usadas para criar sensores em miniatura e interfaces neurais, e é nisso que estamos trabalhando agora. "