世界上第一個基於銅和石墨烯氧化物的生物感測器晶元

來自俄羅斯莫斯科物理與科技研究所的研究人員們開發了具有前所未有的靈敏度的生物感測器晶元，這些晶元是基於銅而不是傳統使用的黃金。除了使設備更便宜之外，這種創新將使製造過程變得容易。研究結果發表在Langmuir雜誌上（「Superior sensitivity of copper-based plasmonic biosensors」）。

生物感測器晶元被製藥公司用於開發藥物。這些晶元對於研究分子相互作用的動力學也是不可或缺的。此外，它們可以作為各種化學分析儀的基礎，這些化學分析儀可以用於發現指示疾病的分子以及檢測食品或環境中的有害物質，有害物質包括化學工廠的泄漏等等。

來自莫斯科物理技術學院光子學和二維材料中心納米光學和等離子體激元實驗室的俄羅斯研究小組開發了一種基於非傳統材料的感測晶元，這種新型晶元是基於銅和氧化石墨烯的。結果表明，它們的裝置實現了無與倫比的靈敏度，但其配置大部分是標準的，因此與現有的商業生物感測器（例如Biacore，Reichert，BioNavis或BiOptix）是兼容的。

MIPT光子學和二維材料中心的納米光學和等離子體激元實驗室的高級研究員Yury Stebunov。（圖片來源：Evgeniy Pelevin / MIPT）

「我們的工程解決方案是開發基於光子和電子技術的生物感測器的重要一步，」南丹麥大學教授Valentyn Volkov說到，Valentyn Volkov教授也是MIPT納米光學和等離子體激元實驗室的負責人。「依靠標準製造技術，將銅和氧化石墨烯（一種具有巨大潛力的材料）相結合，我們實現了明顯的高效率。這為開發生物感測器開闢了新的途徑。」

光電子和光子學中最常用的材料是金。幾乎所有的商業生物感測器晶元都包含幾十納米厚的金膜-一納米是十億分之一米。金如此無處不在的原因是它具有優異的光學性能，並且在化學上非常穩定。儘管實際上金也並不完美。首先，它的價格昂貴 –特別地，高純度金的成本是高純度銅的25倍以上。此外，金與用於製造微電子的工業工藝不相容，這嚴重限制了其在器件大批量生產中的應用潛力。

與金不同，銅沒有這些缺陷。它的光學性能與金的光學性能相當。在微電子學中，銅被用作電導體。然而，它易遭受氧化或腐蝕，因此尚未用於生物晶元。現在，MIPT的研究人員們通過用10納米厚的介電層覆蓋銅解決了這個問題。除了能夠防止氧化，這結構還改變了晶元的光學特性，使其更加靈敏。

為了進一步改進他們的生物感測器設計，作者在銅和電介質薄膜的頂部添加了石墨烯氧化物層，實現了前所未有的靈敏度。這第三種材料最初於1859年由英國著名化學家牛津大學教授Benjamin C. Brodie Jr.以氧化石墨的形式獲得。後來，氧化石墨烯在俄羅斯出生的曼徹斯特大學物理學家和MIPT畢業生Andre Geim和Konstantin Novoselov發現石墨烯（第一種已知的二維材料）之後經歷了一種復興。石墨烯的工作為他們贏得了2010年諾貝爾物理學獎。氧化石墨烯可以被視為石墨烯 ——一維的碳原子片以蜂窩狀排列 —— 其中包括一些碳原子懸掛的含氧基團。這些組提供了設備表面和被分析的蛋白質分子之間的聯繫。在較早的研究中，作者使用氧化石墨烯來提高標準的基於金的生物感測器的靈敏度。這種材料被證明對銅感測器也有好處。

由於銅基晶元與傳統微電子技術兼容，因此用銅取代金為開發用於智能手機，攜帶型設備，可穿戴設備和智能服裝的緊湊型生物感測器件開闢了道路。來自世界各地的科學家和IBM和三星等電子行業巨頭正在投入大量精力建立緊湊的生物感測器，這些生物感測器可以像當今的納米和微機電運動感測器 - 加速度計和陀螺儀一樣嵌入電子設備中。我們很難高估生物感測器的影響 ——只要說我們的設備會獲得新的感官器官就足夠了。這不僅僅是一個隱喻：大型公司正在開發技術來實現人工智慧，智能小工具和生物界面，以作為人腦和計算機之間的媒介。這些技術的組合可以產生真正的生控體系統。

「眾所周知，銅容易受環境的腐蝕。我們已經證明，只有幾十納米厚的保護電介質膜不僅僅能夠防止氧化：在某些情況下，它們會增加生物感測器的靈敏度，」本文的第一作者，GrapheneTek LLC聯合創始人兼首席執行官Yury Stebunov說。「我們並不把純粹的基礎研究視為最終目標。我們的解決方案將在年底之前提供給潛在客戶。本研究中提出的技術可用於製造微型感測器和神經介面，這就是我們現在正在開展的工作。」

實驗幫商城開放賣家入駐功能，註冊用戶電腦訪問(http://www.labbang.com/index.php?app=seller_order)即可申請開店，實驗室也可申請，內測階段成功入駐的商戶零傭金並免一年年費。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！