Mova-se, grafeno. Um atomicamente fino, bidimensional, material semicondutor ultrassensível para biossensor desenvolvido por pesquisadores da UC Santa Barbara promete expandir os limites da tecnologia de biossensor em muitos campos, desde cuidados de saúde até proteção ambiental e indústrias forenses.

Com base em dissulfeto de molibdênio ou molibdenita (MoS2), o material biossensor - usado comumente como um lubrificante seco - ultrapassa a já alta sensibilidade do grafeno, oferece melhor escalabilidade e se presta à fabricação de alto volume. Os resultados do estudo dos pesquisadores foram publicados em ACS Nano .

"Esta invenção estabeleceu a base para uma nova geração de biossensores ultrassensíveis e de baixo custo que podem eventualmente permitir a detecção de uma única molécula - o santo graal dos diagnósticos e da pesquisa de bioengenharia, "disse Samir Mitragotri, co-autor e professor de engenharia química e diretor do Center for Bioengineering da UCSB. "Detecção e diagnóstico são uma área chave da pesquisa de bioengenharia na UCSB e este estudo representa um excelente exemplo das competências multifacetadas da UCSB neste campo emocionante."

A chave, de acordo com o professor de engenharia elétrica e da computação Kaustav Banerjee da UCSB, quem liderou esta pesquisa, é a diferença de banda do MoS2, a característica de um material que determina sua condutividade elétrica.

Os materiais semicondutores têm um intervalo de banda pequeno, mas diferente de zero, e podem ser alternados entre os estados condutivo e isolado de forma controlável. Quanto maior o gap, melhor será sua capacidade de alternar entre estados e isolar a corrente de fuga em um estado isolado. A ampla lacuna de banda do MoS2 permite que a corrente viaje, mas também evita vazamentos e resulta em leituras mais sensíveis e precisas.

Embora o grafeno tenha atraído amplo interesse como biossensor devido à sua natureza bidimensional, que permite excelente controle eletrostático do canal do transistor pela porta, e alta relação superfície-volume, a sensibilidade de um biossensor de transistor de efeito de campo de grafeno (FET) é fundamentalmente restrita pelo intervalo de banda zero do grafeno que resulta em aumento da corrente de fuga, levando a sensibilidade reduzida, explicou Banerjee, que também é o diretor do Laboratório de Pesquisa de Nanoeletrônica da UCSB.

Grafeno tem sido usado, entre outras coisas, para projetar FETs - dispositivos que regulam o fluxo de elétrons através de um canal por meio de um campo elétrico vertical direcionado para o canal por um terminal denominado "portão". Na eletrônica digital, esses transistores controlam o fluxo de eletricidade em um circuito integrado e permitem a amplificação e a comutação.

No reino do biossensor, o portão físico é removido, e a corrente no canal é modulada pela ligação entre as moléculas receptoras embutidas e as biomoléculas alvo carregadas às quais estão expostas. O grafeno tem recebido amplo interesse no campo de biossensorio e tem sido usado para alinhar o canal e atuar como um elemento sensor cujo potencial de superfície (ou condutividade) pode ser modulado pela interação (conhecida como conjugação) entre o receptor e as moléculas alvo que resulta em acúmulo líquido de cargas na região do portão.

Contudo, disse a equipe de pesquisa, apesar das excelentes características do grafeno, seu desempenho é limitado por seu gap zero. Os elétrons viajam livremente através de um FET de grafeno - portanto, ele não pode ser "desligado" - o que, neste caso, resulta em vazamentos de corrente e maior potencial para imprecisões.

Muitas pesquisas na comunidade de grafeno foram dedicadas a compensar esta deficiência, seja padronizando o grafeno para fazer nanofitas ou introduzindo defeitos na camada de grafeno - ou usando grafeno de duas camadas empilhado em um certo padrão que permite a abertura do gap na aplicação de um campo elétrico vertical - para melhor controle e detecção de corrente.

Digite MoS2, um material que já está fazendo ondas no mundo dos semicondutores pelas semelhanças que compartilha com o grafeno, incluindo sua estrutura hexagonal atomicamente fina, e natureza plana, bem como o que ele pode fazer que o grafeno não pode:agir como um semicondutor.

"MoS2 de monocamada ou poucas camadas têm uma vantagem chave sobre o grafeno para projetar um biossensor FET:eles têm um intervalo de banda relativamente grande e uniforme (1,2-1,8 eV, dependendo do número de camadas) que reduz significativamente a corrente de fuga e aumenta a abrupção do comportamento de ativação dos FETs, aumentando assim a sensibilidade do biossensor, "disse Banerjee.

Adicionalmente, de acordo com Deblina Sarkar, um estudante de doutorado no laboratório de Banerjee e o principal autor do artigo, MoS2 bidimensional é relativamente simples de fabricar.

"Embora materiais unidimensionais, como nanotubos de carbono e nanofios, também permitam excelente eletrostática e, ao mesmo tempo, possuam band gap, eles não são adequados para produção em massa de baixo custo devido às complexidades de seus processos, "ela disse." Além disso, o comprimento do canal do biossensor MoS2 FET pode ser reduzido para dimensões semelhantes às de pequenas biomoléculas, como DNA ou pequenas proteínas, ainda mantendo uma boa eletrostática, o que pode levar a alta sensibilidade, mesmo para a detecção de um único quanta dessas espécies biomoleculares, " ela adicionou.

"Na verdade, O MoS2 atomicamente fino oferece o melhor de tudo:excelente eletrostática devido ao seu corpo ultrafino, escalabilidade (devido ao grande gap), bem como padronização devido à sua natureza plana que é essencial para a fabricação de alto volume, "disse Banerjee.

Os biossensores MoS2 demonstrados pela equipe da UCSB já forneceram detecção ultrassensível e específica de proteínas com sensibilidade de 196, mesmo em concentrações de 100 femtomolar (um bilionésimo de um milionésimo de um mol). Essa concentração de proteína é semelhante a uma gota de leite dissolvida em cem toneladas de água. Um sensor de pH baseado em MoS2 alcançando sensibilidade de até 713 para uma mudança de pH em uma unidade, juntamente com uma operação eficiente em uma ampla faixa de pH (3-9), também é demonstrado no mesmo trabalho.

"Esta tecnologia transformadora permite algo altamente específico, baixo consumo de energia, detecção fisiológica de alto rendimento que pode ser multiplexada para detectar uma série de significantes, fatores específicos da doença em tempo real, "comentou Scott Hammond, diretor executivo dos Laboratórios de Pesquisa em Medicina Translacional da UCSB.

Biossensores baseados em FETs convencionais têm ganhado força como uma tecnologia viável para a área médica, indústrias forenses e de segurança, uma vez que são econômicas em comparação com os procedimentos de detecção óptica. Esses biossensores permitem a escalabilidade e a detecção livre de marcadores de biomoléculas - removendo a etapa e as despesas de marcação de moléculas alvo com corante fluorescente. "Em essência, "continuou Hammond, "a promessa de verdadeira baseada em evidências, a medicina personalizada está finalmente se tornando realidade. "

"Esta demonstração é bastante notável, "disse Andras Kis, professor da École Polytechnique Fédérale de Lausanne na Suíça e um cientista líder na área de materiais e dispositivos 2D. "Atualmente, a comunidade científica mundial está buscando ativamente aplicações práticas de materiais semicondutores 2D, como nanofolhas MoS2. O professor Banerjee e sua equipe identificaram uma aplicação inovadora desses nanomateriais e forneceram um novo ímpeto para o desenvolvimento de biossensores ultrassensíveis de baixa potência e baixo custo. "continuou Kis, quem não está conectado ao projeto.