Bouge, graphène. Un atomiquement mince, bidimensionnel, un matériau semi-conducteur ultrasensible pour la biodétection développé par des chercheurs de l'UC Santa Barbara promet de repousser les limites de la technologie de biodétection dans de nombreux domaines, des soins de santé à la protection de l'environnement en passant par les industries médico-légales.

A base de bisulfure de molybdène ou de molybdénite (MoS2), le matériau du biocapteur, couramment utilisé comme lubrifiant sec, surpasse la sensibilité déjà élevée du graphène, offre une meilleure évolutivité et se prête à la fabrication de gros volumes. Les résultats de l'étude des chercheurs ont été publiés dans ACS Nano .

"Cette invention a jeté les bases d'une nouvelle génération de biocapteurs ultrasensibles et à faible coût qui peuvent éventuellement permettre la détection d'une molécule unique - le Saint Graal du diagnostic et de la recherche en bio-ingénierie, " a déclaré Samir Mitragotri, co-auteur et professeur de génie chimique et directeur du Center for Bioengineering à l'UCSB. « La détection et le diagnostic sont un domaine clé de la recherche en bio-ingénierie à l'UCSB et cette étude représente un excellent exemple des compétences multidimensionnelles de l'UCSB dans ce domaine passionnant. »

La clé, selon Kaustav Banerjee, professeur d'ingénierie électrique et informatique à l'UCSB, qui a mené cette recherche, est la bande interdite du MoS2, la caractéristique d'un matériau qui détermine sa conductivité électrique.

Les matériaux semi-conducteurs ont une bande interdite faible mais non nulle et peuvent être commutés de manière contrôlable entre les états conducteur et isolé. Plus la bande interdite est grande, meilleure est sa capacité à changer d'état et à isoler le courant de fuite dans un état isolé. La large bande interdite du MoS2 permet au courant de circuler mais empêche également les fuites et donne des lectures plus sensibles et plus précises.

Alors que le graphène a suscité un grand intérêt en tant que biocapteur en raison de sa nature bidimensionnelle qui permet un excellent contrôle électrostatique du canal du transistor par la grille, et un rapport surface/volume élevé, la sensibilité d'un biocapteur à transistor à effet de champ (FET) en graphène est fondamentalement limitée par la bande interdite nulle du graphène qui entraîne une augmentation du courant de fuite, conduisant à une sensibilité réduite, a expliqué Banerjee, qui est également le directeur du laboratoire de recherche en nanoélectronique à l'UCSB.

Le graphène a été utilisé, entre autres, pour concevoir des FET, des dispositifs qui régulent le flux d'électrons à travers un canal via un champ électrique vertical dirigé dans le canal par une borne appelée "porte". En électronique numérique, ces transistors contrôlent le flux d'électricité dans un circuit intégré et permettent l'amplification et la commutation.

Dans le domaine de la biodétection, la porte physique est supprimée, et le courant dans le canal est modulé par la liaison entre les molécules réceptrices incorporées et les biomolécules cibles chargées auxquelles elles sont exposées. Le graphène a suscité un grand intérêt dans le domaine de la biodétection et a été utilisé pour tapisser le canal et agir comme un élément de détection dont le potentiel de surface (ou la conductivité) peut être modulé par l'interaction (appelée conjugaison) entre le récepteur et les molécules cibles qui se traduit par accumulation nette de charges sur la région de grille.

Cependant, a déclaré l'équipe de recherche, malgré les excellentes caractéristiques du graphène, ses performances sont limitées par sa bande interdite nulle. Les électrons voyagent librement à travers un FET de graphène - par conséquent, il ne peut pas être « éteint », ce qui dans ce cas entraîne des fuites de courant et un potentiel plus élevé d'imprécisions.

De nombreuses recherches dans la communauté du graphène ont été consacrées à la compensation de cette carence, soit en modelant le graphène pour fabriquer des nanorubans, soit en introduisant des défauts dans la couche de graphène, soit en utilisant du graphène bicouche empilé selon un certain motif qui permet l'ouverture de la bande interdite lors de l'application d'un champ électrique vertical, pour un meilleur contrôle et une meilleure détection du courant.

Entrez MoS2, un matériau qui fait déjà des vagues dans le monde des semi-conducteurs pour les similitudes qu'il partage avec le graphène, y compris sa structure hexagonale atomiquement mince, et nature plane, ainsi que ce qu'il peut faire que le graphène ne peut pas :agir comme un semi-conducteur.

« MoS2 monocouche ou à quelques couches a un avantage clé sur le graphène pour la conception d'un biocapteur FET :ils ont une bande interdite relativement importante et uniforme (1,2-1,8 eV, en fonction du nombre de couches) qui réduit considérablement le courant de fuite et augmente la brusquerie du comportement d'allumage des FET, augmentant ainsi la sensibilité du biocapteur, " dit Banerjee.

En outre, selon Deblina Sarkar, un doctorant au laboratoire de Banerjee et l'auteur principal de l'article, Le MoS2 bidimensionnel est relativement simple à fabriquer.

« Alors que les matériaux unidimensionnels tels que les nanotubes de carbone et les nanofils permettent également une excellente électrostatique et possèdent en même temps une bande interdite, ils ne sont pas adaptés à la production de masse à faible coût en raison de la complexité de leurs processus, " dit-elle. " De plus, la longueur du canal du biocapteur MoS2 FET peut être réduite à des dimensions similaires à celles de petites biomolécules telles que l'ADN ou les petites protéines, conservant toujours une bonne électrostatique, ce qui peut conduire à une sensibilité élevée même pour la détection de quanta uniques de ces espèces biomoléculaires, " elle a ajouté.

"En réalité, Le MoS2 atomiquement mince offre le meilleur de tout :une excellente électrostatique grâce à leur corps ultra-mince, évolutivité (en raison de la large bande interdite), ainsi que la structuration en raison de leur nature plane qui est essentielle pour la fabrication en grand volume, " dit Banerjee.

Les biocapteurs MoS2 démontrés par l'équipe de l'UCSB ont déjà fourni une détection ultrasensible et spécifique des protéines avec une sensibilité de 196, même à des concentrations de 100 femtomolaires (un milliardième de millionième de mole). Cette concentration en protéines est similaire à une goutte de lait dissoute dans cent tonnes d'eau. Un capteur de pH à base de MoS2 atteignant une sensibilité aussi élevée que 713 pour un changement de pH d'une unité ainsi qu'un fonctionnement efficace sur une large plage de pH (3-9) est également démontré dans le même travail.

« Cette technologie transformatrice permet des batterie faible, détection physiologique à haut débit qui peut être multiplexée pour détecter un certain nombre de facteurs spécifiques à la maladie en temps réel, " a commenté Scott Hammond, directeur exécutif des laboratoires de recherche en médecine translationnelle de l'UCSB.

Les biocapteurs basés sur les FET conventionnels ont gagné du terrain en tant que technologie viable pour le médical, les industries médico-légales et de la sécurité car elles sont rentables par rapport aux procédures de détection optique. De tels biocapteurs permettent une évolutivité et une détection sans marquage des biomolécules, éliminant ainsi l'étape et les dépenses liées au marquage des molécules cibles avec un colorant fluorescent. « En substance, " continua Hammond, « la promesse de véritables données factuelles, la médecine personnalisée devient enfin réalité."

"Cette démonstration est assez remarquable, " dit Andras Kis, professeur à l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse et un scientifique de premier plan dans le domaine des matériaux et dispositifs 2D. "Maintenant, la communauté scientifique du monde entier recherche activement des applications pratiques de matériaux semi-conducteurs 2D tels que les nanofeuillets de MoS2. Le professeur Banerjee et son équipe ont identifié une application révolutionnaire de ces nanomatériaux et donné un nouvel élan au développement de biocapteurs ultrasensibles à faible consommation et à faible coût, " continua Kis, qui n'est pas connecté au projet.