Ricercatori russi dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca hanno sviluppato chip biosensori di sensibilità senza precedenti basati sul rame anziché sull'oro. Oltre a rendere il dispositivo un po' più economico, questa innovazione faciliterà il processo di fabbricazione. I risultati della ricerca sono riportati sulla rivista Langmuir .

I chip biosensori sono utilizzati dalle aziende farmaceutiche per sviluppare farmaci. Questi chip sono indispensabili anche per studiare la cinetica delle interazioni molecolari. Per di più, potrebbero servire come base per gli analizzatori chimici utilizzati per trovare marcatori molecolari di malattie e per rilevare sostanze pericolose negli alimenti o nell'ambiente, comprese perdite da impianti chimici, tra l'altro.

Il team di ricerca russo del Laboratorio di nanoottica e plasmonica del Centro per la fotonica e i materiali 2-D del MIPT ha sviluppato un chip di rilevamento basato su materiali non convenzionali:rame e ossido di grafene. Di conseguenza, il loro dispositivo raggiunge una sensibilità senza pari. La sua configurazione è per lo più standard, e quindi compatibile con i biosensori commerciali esistenti come quelli di Biacore, Reichert, BioNavis e BiOptix.

"La nostra soluzione ingegneristica è un passo importante verso lo sviluppo di sensori biologici basati sulla tecnologia fotonica ed elettronica, "dice Valentyn Volkov, professore dell'Università della Danimarca meridionale, che dirige anche il Laboratorio di Nanoottica e Plasmonica al MIPT. "Fando affidamento su tecnologie di produzione standard e combinando il rame con l'ossido di grafene, un materiale che ha un grande potenziale, otteniamo un'efficienza dimostrabilmente elevata. Questo apre nuove strade per lo sviluppo di biosensori".

Il materiale più comune utilizzato in optoelettronica e fotonica è l'oro. Quasi tutti i chip di biosensori commerciali incorporano pellicole d'oro spesse diverse decine di nanometri:un nanometro è un miliardesimo di metro. Il motivo per cui l'oro è così onnipresente è che ha eccellenti proprietà ottiche ed è chimicamente molto stabile. Ma l'oro non è perfetto, è costoso, oltre 25 volte più costoso del rame di elevata purezza. E l'oro è incompatibile con i processi industriali utilizzati per la produzione di microelettronica, che limita fortemente il suo potenziale di applicazione nella produzione di massa di dispositivi.

A differenza dell'oro, il rame non ha questi difetti. Le sue proprietà ottiche sono alla pari di quelle dell'oro. Il rame è usato come conduttore elettrico nella microelettronica. Però, soffre di ossidazione, o corrosione, e quindi non è stato utilizzato nei biochip. Ora, I ricercatori del MIPT hanno risolto questo problema ricoprendo il metallo con uno strato dielettrico di 10 nanometri. Oltre a prevenire l'ossidazione, questo ha alterato le proprietà ottiche del chip, rendendolo più sensibile.

Per perfezionare ulteriormente il design del loro biosensore, gli autori hanno aggiunto uno strato di ossido di grafene sopra i film di rame e dielettrico, consentendo una sensibilità senza precedenti. Questo terzo materiale è stato originariamente ottenuto nel 1859 come ossido di grafite dal professore dell'Università di Oxford Benjamin C. Brodie Jr., un famoso chimico inglese. Dopo, l'ossido di grafene ha sperimentato una sorta di rinascita in seguito alla scoperta del grafene, il primo materiale bidimensionale conosciuto, da parte dei fisici dell'Università di Manchester di origine russa e dei laureati del MIPT Andre Geim e Konstantin Novoselov. Il lavoro sul grafene è valso loro il Premio Nobel 2010 per la fisica. L'ossido di grafene può essere visualizzato come grafene, un foglio unidimensionale di atomi di carbonio legati in una disposizione a nido d'ape con gruppi contenenti ossigeno che pendono da alcuni degli atomi di carbonio. Questi gruppi forniscono un collegamento tra la superficie del dispositivo e le molecole proteiche che vengono analizzate. In uno studio precedente, gli autori hanno utilizzato l'ossido di grafene per aumentare la sensibilità dei biosensori standard a base di oro. Il materiale si è rivelato vantaggioso anche per i sensori in rame.

La sostituzione dell'oro con il rame apre la strada allo sviluppo di dispositivi biosensibili compatti da implementare negli smartphone, gadget portatili, dispositivi indossabili, e vestiti eleganti, perché i chip a base di rame sono compatibili con la tecnologia microelettronica convenzionale. Globalmente, scienziati e giganti dell'industria elettronica come IBM e Samsung stanno facendo molti sforzi per creare biosensori compatti che potrebbero essere integrati in dispositivi elettronici analoghi agli attuali accelerometri e giroscopi nano e microelettromeccanici. È difficile sopravvalutare l'impatto che avrebbero i biosensori:i dispositivi acquisirebbero un nuovo organo di senso. E questa non è solo una metafora:le grandi aziende stanno lavorando su tecnologie per abilitare l'intelligenza artificiale, gadget intelligenti, e biointerfacce che fungerebbero da mediatori tra il cervello umano e i computer. Una combinazione di queste tecnologie potrebbe dare origine a veri e propri organismi cibernetici.

"È noto che il rame è suscettibile all'influenza corrosiva dell'ambiente. Abbiamo dimostrato che le pellicole protettive dielettriche spesse solo decine di nanometri non si limitano a prevenire l'ossidazione, in alcuni casi, aumentano la sensibilità del biosensore, "dice Yury Stebunov, l'autore principale del documento e co-fondatore e CEO di GrapheneTek LLC. "Non vediamo la ricerca puramente fondamentale come la destinazione finale. La nostra soluzione sarà disponibile per i potenziali clienti entro la fine dell'anno. Le tecnologie proposte in questo studio potrebbero essere utilizzate per creare sensori in miniatura e interfacce neurali, ed è quello su cui stiamo lavorando in questo momento".