Diagnosztikai microchipek: új eljárás olcsóbb és precízebb bioszenzorra

Most azonban az MIT kutatói olyan egyszerű, precíz, reprodukálható technikával álltak elő, amely nem csak a gyártási időt rövidíti le, de a költségeket is csökkenti. Nicholas Fang, gépészmérnöki egyetemi docens, egy olyan gravírozási technikát fejlesztett ki, amely egy kis, feszültség-aktivált üvegbélyegző segítségével apró, nano-méretű mintákat karcol a fémfelületekre. Fang elmondása alapján ezeket a gravírozásokat olyan apró pontok végzik, melyek kisebbek, mint az emberi hajszál egy század része. Működését tekintve pedig olyan, mint egy optikai antenna, amely speciális hullámhosszok felvételével azonosítja az egyes molekulákat.

A kutatás a Nanotechnology című magazin online kiadásában jelent meg Szeptember 21.-én.

Piaci akadályok

Az új üveg-bélyeg megközelítés segíthet a kutatóknak, hogy a laboratóriumi chipek gyártásában megszűnjenek az akadályok. A tudósok ma olyan nano-szenzorokat állítanak elő, az elektronsugaras litográfia segítségével, melyek koncentrált sugarakat használva lassan karcolnak mintát a fémfelületekre. A folyamat rendkívül precíz, ugyanakkor rendkívül drága és időigényes is. Fang elmondása alapján általában ezeket a berendezések óránként 200 dollárért bérlik az egyes létesítmények. Egy 6 négyzetmilliméteres minta előállítása nagyjából fél napot igényel – ezért ha az elektronnyalábos litográfiával készült szenzorokat dobnák a kereskedelmi piacra, Fang becslése szerint több mint 600 dollárba kerülne, darabonként.

„Senki nem fizet egy chipért ennyit.” – mondta Fang. „A biológiai tesztekhez olyasvalamire van szükség, ami olcsó, mégis megbízható. Ez pedig kizárja az olykor szimpatikusabb, de sokkal drágább technológiát.”

Ez az elvárás pedig talán más mai fejlesztésű technológiákat is kizár. Például, a nanoimprint litográfia egy egyszerű, olcsó folyamat, ahol egy kör alakú mestermintába nyomják a polimert, ami UV fény hatására megkeményedik; amikor leválik a mester kör, egy olyan lenyomatot formál, amit egy fém anyaggal megtöltve, másolatot készíthetünk az eredeti körmintáról. A tudósok rendszerint elmossák a polimer lenyomatot, hogy elkülönüljön az új fém minta.

Ez a megközelítés valóban nem drága, viszont pontatlan is lehet. A lágy polimer anyag nem mindig illeszkedik pontosan az eredeti mintához, ami akár dudorokat, horpadásokat, vagy egyéb tökéletlenségeket eredményezhet a lenyomatban, valamint a másolatok nem pontosan ugyan olyanok, mint az eredeti minta. Miután maga a folyamat megköveteli a polimer anyag lemosását, ezért a tudósoknak újabb és újabb polimer felhasználására van szükség a másolatok elkészítéséhez.

Az inspiráló üvegfújás

Fang és kollégái egy új technikával álltak elő, ami megoldást jelenthet a költség, a pontosság, és a reprodukció kérdésére. A csapat egy a nanoimprint litográfiához hasonló megközelítést vesz alapul, de polimer helyett üveget használnak öntvényanyagként.

„Az üvegfújók inspiráltak, akik tulajdonképpen üvegeket és főzőpoharakat formálnak saját szakértelmükkel”.- mondta Fang.

Ezt szem előtt tartva, Fangék egy olyan üveges anyagot kerestek, ami megfelel a követelményeknek és megtalálták az ideális jelöltet egy olyan üveget, ami részben olyan ionokból áll, ami feszültség hatására elektromosan aktiválható.

A kutatók üvegrészecskékkel megtöltöttek egy kis fecskendőt, aztán a tűt elkezdték hevíteni, hogy belül az üveg megolvadjon. Azután az olvadt üveget a mester mintába nyomták, kialakítva egy lenyomatot, ami hűtés hatására megszilárdul. Ezután az üveget egy lapos ezüst alapra nyomták, és egy kis, 90 milli voltos elektromos potenciált alkalmaztak az ezüst réteg felett. A feszültség mindkét felületen stimulálta az ionokat, ami elindította az üvegmintát, hogy lényegében belekarcoljon a fémalapba.

A csoport képes volt előállítani apró pontokból álló mintákat, 30 nanométer szélességgel, háromszög, illetve téglalap alakban, valamint egy ionos oszlopot, olyan felbontással, ami sokkal pontosabb, mint a nanoimprint litográfia.

Fang elismeri, hogy még mindig vannak költségvetési akadályok: ez az eljárás még mindig megköveteli, hogy legyen egy fém mesterminta, amit a drága litográfiával lehet előállítani. Mindazonáltal mindössze egy ilyen mesterminta illetve egy üvegpecsét kell egy sor ugyanolyan szenzor gyártásához, ami a valósághoz közelebb hozza az elképzeléseket a nagyüzemi termeléssel kapcsolatban.

„Ezzel a pecséttel, százait tudom előállítani ennek a szenzornak, és mindegyik majdnem teljesen egyforma lesz.” – nyilatkozta Fang. „Ez a fejlődés lenyűgöző számunkra, és lehetővé teszi a még hatékonyabb antennák megalkotását.”