Spostati, grafene. Un atomicamente sottile, bidimensionale, materiale semiconduttore ultrasensibile per il biorilevamento sviluppato dai ricercatori dell'UC Santa Barbara promette di spingere i confini della tecnologia di biorilevamento in molti campi, dall'assistenza sanitaria alla protezione ambientale alle industrie forensi.

A base di bisolfuro di molibdeno o molibdenite (MoS2), il materiale del biosensore, comunemente usato come lubrificante secco, supera la già elevata sensibilità del grafene, offre una migliore scalabilità e si presta alla produzione ad alto volume. I risultati dello studio dei ricercatori sono stati pubblicati in ACS Nano .

"Questa invenzione ha gettato le basi per una nuova generazione di biosensori ultrasensibili e a basso costo che alla fine possono consentire il rilevamento di singole molecole:il Santo Graal della diagnostica e della ricerca bioingegneristica, " disse Samir Mitragotri, co-autore e professore di ingegneria chimica e direttore del Center for Bioengineering presso l'UCSB. "Il rilevamento e la diagnostica sono un'area chiave della ricerca bioingegneristica presso l'UCSB e questo studio rappresenta un eccellente esempio delle molteplici competenze dell'UCSB in questo entusiasmante campo".

Il tasto, secondo Kaustav Banerjee, professore di ingegneria elettrica e informatica della University of California, che ha condotto questa ricerca, è il band gap di MoS2, la caratteristica di un materiale che ne determina la conducibilità elettrica.

I materiali semiconduttori hanno un gap di banda piccolo ma diverso da zero e possono essere commutati tra stati conduttivi e isolati in modo controllabile. Maggiore è il gap di banda, migliore è la sua capacità di cambiare stato e di isolare la corrente di dispersione in uno stato isolato. L'ampia banda proibita di MoS2 consente alla corrente di viaggiare, ma previene anche le perdite e produce letture più sensibili e accurate.

Mentre il grafene ha suscitato ampio interesse come biosensore grazie alla sua natura bidimensionale che consente un eccellente controllo elettrostatico del canale del transistor da parte del gate, e un elevato rapporto superficie-volume, la sensibilità di un biosensore a transistor ad effetto di campo (FET) al grafene è fondamentalmente limitata dal gap di banda zero del grafene che si traduce in un aumento della corrente di dispersione, portando a una ridotta sensibilità, ha spiegato Banerjee, che è anche il direttore del Nanoelectronics Research Lab presso l'UCSB.

È stato utilizzato il grafene, tra l'altro, progettare FET, dispositivi che regolano il flusso di elettroni attraverso un canale tramite un campo elettrico verticale diretto nel canale da un terminale chiamato "gate". Nell'elettronica digitale, questi transistor controllano il flusso di elettricità attraverso un circuito integrato e consentono l'amplificazione e la commutazione.

Nel campo del biosensore, il cancello fisico viene rimosso, e la corrente nel canale è modulata dal legame tra le molecole recettoriali incorporate e le biomolecole bersaglio cariche a cui sono esposte. Il grafene ha ricevuto ampio interesse nel campo della biorilevazione ed è stato utilizzato per rivestire il canale e fungere da elemento sensibile il cui potenziale di superficie (o conduttività) può essere modulato dall'interazione (nota come coniugazione) tra il recettore e le molecole bersaglio che si traduce in accumulazione netta di cariche sulla regione di gate.

Però, ha detto il gruppo di ricerca, nonostante le ottime caratteristiche del grafene, le sue prestazioni sono limitate dal suo band gap zero. Gli elettroni viaggiano liberamente attraverso un FET di grafene, quindi, non può essere "spento", il che in questo caso si traduce in dispersioni di corrente e maggiori potenziali imprecisioni.

Molte ricerche nella comunità del grafene sono state dedicate a compensare questa carenza, o modellando il grafene per creare nanonastri o introducendo difetti nello strato di grafene, o utilizzando grafene a doppio strato impilato in un determinato modello che consente l'apertura del gap di banda all'applicazione di un campo elettrico verticale, per un migliore controllo e rilevamento della corrente.

Inserisci MoS2, un materiale che già fa scalpore nel mondo dei semiconduttori per le somiglianze che condivide con il grafene, compresa la sua struttura esagonale atomicamente sottile, e natura planare, così come quello che può fare il grafene non può:agire come un semiconduttore.

"MoS2 monostrato o a pochi strati hanno un vantaggio chiave rispetto al grafene per la progettazione di un biosensore FET:hanno una banda proibita relativamente ampia e uniforme (1,2-1,8 eV, a seconda del numero di strati) che riduce significativamente la corrente di dispersione e aumenta l'improvviso comportamento di accensione dei FET, aumentando così la sensibilità del biosensore, " ha detto Banerjee.

Inoltre, secondo Deblina Sarkar, uno studente di dottorato nel laboratorio di Banerjee e l'autore principale dell'articolo, MoS2 bidimensionale è relativamente semplice da produrre.

"Mentre i materiali unidimensionali come i nanotubi di carbonio e i nanofili consentono anche un'eccellente elettrostatica e allo stesso tempo possiedono un gap di banda, non sono adatti per la produzione di massa a basso costo a causa della loro complessità di processo, " ha detto. "Inoltre, la lunghezza del canale del biosensore FET MoS2 può essere ridotta a dimensioni simili a quelle di piccole biomolecole come DNA o piccole proteine, mantenendo comunque una buona elettrostatica, che può portare a un'elevata sensibilità anche per il rilevamento di singoli quanti di queste specie biomolecolari, " lei ha aggiunto.

"Infatti, atomicamente sottile MoS2 offre il meglio di tutto:grande elettrostatica grazie al loro corpo ultrasottile, scalabilità (a causa dell'ampio gap di banda), così come la modellabilità a causa della loro natura planare che è essenziale per la produzione di grandi volumi, " ha detto Banerjee.

I biosensori MoS2 dimostrati dal team dell'UCSB hanno già fornito un rilevamento proteico ultrasensibile e specifico con una sensibilità di 196 anche a concentrazioni di 100 femtomolari (un miliardesimo di un milionesimo di mole). Questa concentrazione proteica è simile a una goccia di latte sciolta in cento tonnellate d'acqua. Nello stesso lavoro viene dimostrato anche un sensore di pH basato su MoS2 che raggiunge una sensibilità fino a 713 per una variazione di pH di un'unità insieme a un funzionamento efficiente su un ampio intervallo di pH (3-9).

"Questa tecnologia trasformativa consente un'elevata specificità, a bassa potenza, rilevamento fisiologico ad alto rendimento che può essere multiplexato per rilevare un numero significativo di fattori specifici della malattia in tempo reale, " ha commentato Scott Hammond, direttore esecutivo dei laboratori di ricerca sulla medicina traslazionale dell'UCSB.

I biosensori basati su FET convenzionali stanno guadagnando slancio come tecnologia praticabile per il settore medico, industrie forensi e della sicurezza poiché sono convenienti rispetto alle procedure di rilevamento ottico. Tali biosensori consentono la scalabilità e il rilevamento senza etichetta delle biomolecole, eliminando il passaggio e la spesa dell'etichettatura delle molecole bersaglio con colorante fluorescente. "In sostanza, "continuò Hammond, "la promessa di una vera evidenza basata sull'evidenza, la medicina personalizzata sta finalmente diventando realtà".

"Questa dimostrazione è davvero notevole, " ha detto Andras Kis, professore all'École Polytechnique Fédérale de Lausanne in Svizzera e uno scienziato leader nel campo dei materiali e dei dispositivi 2D. "Attualmente, la comunità scientifica di tutto il mondo è attivamente alla ricerca di applicazioni pratiche di materiali semiconduttori 2D come i nanosheet MoS2. Il professor Banerjee e il suo team hanno identificato un'applicazione rivoluzionaria di questi nanomateriali e hanno fornito nuovo impulso allo sviluppo di biosensori ultrasensibili a bassa potenza e basso costo, "continuò Ki, chi non è collegato al progetto.