Des chercheurs russes de l'Institut de physique et de technologie de Moscou ont développé des puces de biocapteurs d'une sensibilité sans précédent à base de cuivre au lieu d'or. En plus de rendre l'appareil un peu moins cher, cette innovation facilitera le processus de fabrication. Les résultats de la recherche sont publiés dans la revue Langmuir .

Les puces de biocapteurs sont utilisées par les sociétés pharmaceutiques pour développer des médicaments. Ces puces sont également indispensables pour étudier la cinétique des interactions moléculaires. Par ailleurs, ils pourraient servir de base à des analyseurs chimiques utilisés pour trouver des marqueurs moléculaires de maladies et détecter des substances dangereuses dans les aliments ou l'environnement, y compris les fuites d'usines chimiques, entre autres.

L'équipe de recherche russe du Laboratoire de nanooptique et plasmonique du Centre de photonique et de matériaux 2D du MIPT a développé une puce de détection à base de matériaux non conventionnels :le cuivre et l'oxyde de graphène. Par conséquent, leur appareil atteint une sensibilité inégalée. Sa configuration est majoritairement standard, et donc compatible avec les biocapteurs commerciaux existants comme ceux de Biacore, Reichert, BioNavis et BiOptix.

"Notre solution d'ingénierie est une étape importante vers le développement de capteurs biologiques basés sur la technologie photonique et électronique, " dit Valentin Volkov, professeur de l'Université du Danemark du Sud, qui dirige également le Laboratoire de nanooptique et plasmonique du MIPT. « En s'appuyant sur des technologies de fabrication standard et en combinant du cuivre avec de l'oxyde de graphène, un matériau qui a un grand potentiel, nous obtenons une efficacité manifestement élevée. Cela ouvre de nouvelles voies pour le développement de biocapteurs. »

Le matériau le plus couramment utilisé en optoélectronique et en photonique est l'or. Presque toutes les puces de biocapteurs du commerce incorporent des films d'or de plusieurs dizaines de nanomètres d'épaisseur — un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre. La raison pour laquelle l'or est si omniprésent est qu'il possède d'excellentes propriétés optiques et qu'il est chimiquement très stable. Mais l'or n'est pas parfait - il est cher - plus de 25 fois plus cher que le cuivre de haute pureté. Et l'or est incompatible avec les procédés industriels utilisés pour la fabrication de la microélectronique, ce qui limite considérablement son potentiel d'application dans la production de masse de dispositifs.

Contrairement à l'or, le cuivre n'a pas ces défauts. Ses propriétés optiques sont comparables à celles de l'or. Le cuivre est utilisé comme conducteur électrique en microélectronique. Cependant, il souffre d'oxydation, ou la corrosion, et n'a donc pas été utilisé dans les biopuces. Maintenant, Les chercheurs du MIPT ont résolu ce problème en recouvrant le métal d'une couche diélectrique de 10 nanomètres. En plus de prévenir l'oxydation, cela a altéré les propriétés optiques de la puce, le rendant plus sensible.

Pour affiner davantage la conception de leur biocapteur, les auteurs ont ajouté une couche d'oxyde de graphène au-dessus des films de cuivre et diélectriques, permettant une sensibilité sans précédent. Ce troisième matériau a été obtenu à l'origine en 1859 sous forme d'oxyde de graphite par le professeur de l'Université d'Oxford Benjamin C. Brodie Jr., un chimiste anglais de renom. Plus tard, L'oxyde de graphène a connu une sorte de renouveau après la découverte du graphène - le premier matériau bidimensionnel connu - par les physiciens d'origine russe de l'Université de Manchester et les diplômés du MIPT Andre Geim et Konstantin Novoselov. Les travaux sur le graphène leur ont valu le prix Nobel de physique 2010. L'oxyde de graphène peut être visualisé sous forme de graphène, une feuille unidimensionnelle d'atomes de carbone liés dans un arrangement en nid d'abeille avec des groupes contenant de l'oxygène suspendus à certains des atomes de carbone. Ces groupes fournissent un lien entre la surface du dispositif et les molécules de protéines qui sont analysées. Dans une étude antérieure, les auteurs ont utilisé de l'oxyde de graphène pour augmenter la sensibilité des biocapteurs standard à base d'or. Le matériau s'est également avéré bénéfique pour les capteurs en cuivre.

Le remplacement de l'or par du cuivre ouvre la voie au développement de dispositifs de biodétection compacts à mettre en œuvre dans les smartphones, gadgets portables, appareils portables, et des vêtements intelligents, car les puces à base de cuivre sont compatibles avec la technologie microélectronique conventionnelle. Globalement, les scientifiques et les géants de l'industrie électronique tels qu'IBM et Samsung déploient beaucoup d'efforts pour créer des biocapteurs compacts qui pourraient être intégrés dans des appareils électroniques analogues aux accéléromètres et gyroscopes nano- et microélectromécaniques actuels. Il est difficile de surestimer l'impact qu'auraient les biocapteurs :les appareils acquerraient un nouvel organe sensoriel. Et ce n'est pas simplement une métaphore :les grandes entreprises travaillent sur des technologies pour permettre à l'IA, gadgets intelligents, et des biointerfaces qui serviraient de médiateurs entre le cerveau humain et les ordinateurs. Une combinaison de ces technologies pourrait donner naissance à de véritables organismes cybernétiques.

« Il est connu que le cuivre est sensible à l'influence corrosive de l'environnement. Nous avons montré que des films diélectriques protecteurs de seulement quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur font plus qu'empêcher l'oxydation - dans certains cas, ils augmentent la sensibilité des biocapteurs, " dit Yury Stebunov, l'auteur principal de l'article et co-fondateur et PDG de GrapheneTek LLC. « Nous ne voyons pas la recherche purement fondamentale comme destination finale. Notre solution sera disponible pour des clients potentiels avant la fin de l'année. Les technologies proposées dans cette étude pourraient être utilisées pour créer des capteurs miniatures et des interfaces neuronales, et c'est ce sur quoi nous travaillons en ce moment."