Ultra Biosensor von Molybdänit HalbleiterstrahltGraphen

UC Santa Barbara Forscher zeigen atomar dünne , ultra und skalierbare Molybdändisulfid -Feldeffekttransistor Biosensoren und gründen ihr Potenzial für die Einzelmoleküldetektion .

Move over , Graphen. Ein atomar dünnen , zweidimensionalen , hochempfindliche Halbleitermaterial für Biosensorik von Forschern an der UC Santa Barbara entwickelt verspricht , die Grenzen der Biosensorik Technologie in vielen Bereichen des Umweltschutzes , um forensische Industrie zu drücken, von der Gesundheitsversorgung .

Basierend auf Molybdändisulfid oder Molybdänit ( MoS2) , der Biosensor Material - häufig als Trockenschmierstoff eingesetzt - übertrifft bereits hohe Empfindlichkeit Graphen und bietet bessere Skalierbarkeit und eignet sich für High-Volume- Produktion. Die Ergebnisse der Studie der Forscher haben in ACS Nano veröffentlicht.

" Diese Erfindung hat den Grundstein für eine neue Generation von hochempfindlichen und Low-Cost- Biosensoren , die schließlich erlauben können Einzelmoleküldetektion etabliert - der heilige Gral der Diagnostik und Biotechnologie Forschung", sagte Samir Mitragotri , Co-Autor und Professor für Chemieingenieurwesen und Direktor des Zentrums für Bioengineering an der UCSB . " Erkennung und Diagnose sind ein Schlüsselbereich der Biotechnologie Forschung an der UCSB und diese Studie stellt ein hervorragendes Beispiel für UCSB vielfältigen Kompetenzen auf diesem spannenden Gebiet . "

Der Schlüssel , nach UCSB Professor für Elektro- und Computertechnik Kaustav Banerjee, die diese Studie leitete , ist MoS2 der Bandlücke , die charakteristisch für ein Material, das seine elektrische Leitfähigkeit bestimmt .

Halbleitermaterialien haben eine kleine, aber von Null verschiedene Bandlücke und kann zwischen leitenden und isolierten Staaten kontrolliert abgeschaltet werden. Je größer der Bandlücke , desto besser ist seine Fähigkeit, Zustände zu wechseln und Leckstrom in einem isolierten Zustand zu isolieren. MoS2 der breiten Bandlücke ermöglicht Strom zu reisen , sondern verhindert Leckagen und führt zu mehr sensible und genaue Messwerte .

Die Einschränkungen von Graphen

Während Graphen hat großes Interesse als Biosensor wegen seiner zweidimensionalen Natur angezogen , das ausgezeichnete elektrostatische Steuerung des Transistorkanals durch die Gate und hohe Oberfläche-zu - Volumen-Verhältnis, die Empfindlichkeit eines Graphen -Feldeffekttransistor (FET) gestattet Biosensors ist grundsätzlich durch die Nullbandlückevon Graphen , die zu einem erhöhten Leckstrom führt , was zu einer reduzierten Empfindlichkeit beschränkt , erklärt Banerjee, der auch der Direktor der Nanoelektronik -Forschungslabor an der UCSB .

Graphen verwendet worden , unter anderem , um die FETs zu entwerfen - . " Gate" Vorrichtungen , die den Fluss von Elektronen durch einen Kanal über eine vertikale elektrische Feld in dem Kanal von einem Endgerät genannt gerichtet regulieren In der digitalen Elektronik steuern diese Transistoren den Stromfluss überall in einem integrierten Schaltkreis und ermöglicht eine Verstärkung und Schalt .

Im Bereich der Biosensorik wird die physikalische Gate entfernt wird, und der Strom in dem Kanal wird durch die Bindung zwischen eingebetteten Rezeptormolekülen und der geladenen Ziel Biomolekülen , denen sie ausgesetzt sind, moduliert. Graphen hat großes Interesse in das Biosensor- Feld erhalten und wurde verwendet , um den Kanal und als Messelement, dessen Oberflächenpotential (oder Leitfähigkeit) durch das Zusammenwirken ( Konjugation bezeichnet) moduliert werden zwischen den Rezeptor- und Zielmolekülen , die in Ergebniszeile netto Ansammlung von Ladungen auf dem Gate-Bereich .

Allerdings, so das Forscherteam , trotz hervorragenden Eigenschaften von Graphen wird aufgrund der durch seinen Nullbandlückebegrenzt. Elektronen frei reisen in einem Graphen- FET - daher kann es nicht sein, "ausgeschaltet" - was in diesem Fall führt zu Kriechströmen und höheres Potenzial für Ungenauigkeiten .

Oder mit Graphen-Doppelschicht in einem bestimmten Muster gestapelt , die Bandlückenöffnungbei Einwirkung einer vertikalen ermöglicht - viel Forschung auf dem Graphen Gemeinschaft hat auf Kompensation dieses Mangels , entweder durch Strukturieren Graphen zur Nanobänder bilden oder durch Einbau von Defekten in die Graphenschicht gewidmet elektrisches Feld - für eine bessere Kontrolle und Erfassung von Strom .

Geben MoS2 , ein Material, das bereits für Aufsehen in der Halbleiterwelt für die Ähnlichkeiten teilt mit Graphen , einschließlich der atomar dünnen hexagonalen Struktur und planare Natur , als auch, was es kann, dass Graphen tun nicht : wie ein Halbleiter fungieren.

" Mono- oder wenigen Schicht MoS2 einen entscheidenden Vorteil gegenüber Graphen zum Entwerfen eines FET Biosensors : Sie haben eine relativ große und gleichmäßige Bandlücke ( 1,2-1,8 eV , abhängig von der Anzahl der Schichten) , die signifikant reduziert den Leckstrom und erhöht die Plötzlichkeit des Einschalt- Verhalten der Feldeffekttransistoren , wodurch die Empfindlichkeit des Biosensors zu ", sagte Banerjee .

" Von allem das Beste "

Zusätzlich wird gemäß Deblina Sarkar, Doktorand in Banerjee Labor und der Hauptautor des Artikels, ist zweidimensional MoS2 relativ einfach herzustellen .

"Während eindimensionale Materialien wie Kohlenstoff-Nanoröhren und Nanodrähte lassen sich auch hervorragend Elektrostatik und gleichzeitig die Bandlücke besitzen , geeignet für kostengünstige Massenproduktion sind sie nicht aufgrund ihrer Komplexität Prozess ", sagte sie . " Darüber hinaus ist die Kanallänge von MoS2 FET -Biosensor kann auf ähnlich denen von kleinen Biomolekülen wie DNA oder kleinen Proteinen , noch die Erhaltung der Elektrostatik , die eine hohe Empfindlichkeit , auch für den Nachweis von einzelnen Quanten dieser biomolekularen führen kann, die Dimensionen skaliert werden Arten ", fügte sie hinzu.

" In der Tat, atomar dünnen MoS2 bietet das Beste von allem : große Elektrostatik aufgrund ihrer ultra-dünnen Körper , Skalierbarkeit (aufgrund der großen Bandlücke ) sowie Strukturierbarkeit aufgrund ihrer planaren Natur , die für Großserienfertigung ist , ", so Banerjee .

Die MoS2 Biosensoren von der UCSB Team gezeigt, bereits hochempfindlichen und spezifischen Protein Erkundung mit einer Empfindlichkeit von 196 selbst bei 100 femtomolar ( einem Milliardstel einer Millionstel Mol) Konzentrationen zur Verfügung gestellt. Diese Proteinkonzentration ist ähnlich wie ein Tropfen Milch in hundert Tonnen Wasser gelöst. Ein MoS2 - basierten pH- Sensor zu erzielen Empfindlichkeit so hoch wie 713 für eine pH-Änderung um eine Einheit zusammen mit einem effizienten Betrieb über einen weiten pH-Bereich ( 3-9 ) ist ebenfalls in der gleichen Arbeit zeigte .

"Das transformative Technologie ermöglicht hochspezifische , Low-Power , High-Throughput- physiologische Mess , die gemultiplext kann auf eine Reihe von bedeutenden , krankheitsspezifische Faktoren in Echtzeit zu erfassen ", erklärte Scott Hammond , Executive Director der UCSB Translational Medicine Research Laboratories .

Biosensoren auf der Basis konventioneller FETs sind an Dynamik gewinnt als eine praktikable Technologie für die medizinische , forensische und Sicherheitsindustrie , da sie kostengünstiger im Vergleich zu optischen Detektionsverfahren . Solche Biosensoren ermöglichen Skalierbarkeit und markierungsfreie Detektion von Biomolekülen - Entfernen der Schritt und die Kosten der Kennzeichnung Zielmoleküle mit Fluoreszenzfarbstoff. " Im Wesentlichen ", fuhr Hammond, " das Versprechen wahr evidenzbasierten , personalisierten Medizin wird endlich Realität. "

" Diese Demonstration ist bemerkenswert ", sagte Andras Kis , Professor an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz und einer der führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der 2D- Materialien und Geräte . " Derzeit ist die wissenschaftliche Gemeinschaft weltweit aktiv nach praktischen Anwendungen der 2D- Halbleitermaterialien wie MoS2 Nanoschichten . Prof. Banerjee und sein Team haben eine bahnbrechende Anwendung dieser Nanomaterialien identifiziert und neue Impulse für die Entwicklung von Low-Power und Low-Cost- ultrasensitive Biosensoren ", so Kis , der nicht mit dem Projekt verbunden ist.


Konzeptkunst eines Molybdändisulfid -Feldeffekttransistor Biosensor durch UCSB Forscher mit der Fähigkeit, ultra-low ( femtomolar ) Konzentrationen mit hoher Empfindlichkeit , die 74 - fach höher als die von Graphen -FET- Biosensoren ist zu erkennen demonstriert.
Photo Credit: Peter Allen