Goedkopere en preciezere Biosenser met nieuwe glazen stempel

In de toekomst kan de microchiptechnologie voldoende geavanceerd genoeg zijn om clinici in staat te stellen testen uit te voeren, bijvoorbeeld het scheiden van specifieke moleculen zoals kankercellen in een vroeg stadium, voor letterlijk honderden ziekten door slechts één druppel bloed te gebruiken. Het vervaardigen van dergelijke "chiplaboratorium" -ontwerpen is echter een technisch uitdagende, tijdrovende en dure taak omdat het gaat om het assembleren van kleine, geïntegreerde diagnostische sensorarrays op oppervlakken zo klein als een vierkante centimeter. De nieuwe techniek wordt gerapporteerd op 21 september online editie van het tijdschrift nanotechnologie.
Onderzoekers van MIT hebben nu een eenvoudige methode ontwikkeld die nauwkeurig en reproduceerbaar is en die tijd- en kostenbesparend is voor de fabricage van dergelijke sensoren. Nicholas Fang, universitair hoofddocent Werktuigbouwkunde, heeft een graveermethode gemaakt, gemaakt van kleine stippen kleiner dan een honderdste van de breedte van een mensenhaar, die miniatuur, nano-formaat patronen op metalen oppervlakken bewerkt met behulp van een kleine, door spanning geactiveerde stempel gemaakt van glas. Hij legt uit dat de gravures fungeren als optische antennes en een enkel molecuul kunnen identificeren door de specifieke golflengte ervan op te pikken.
Fang, legt uit:

"Als je in staat bent om een ??optische antenne met precieze dimensies te maken ... kun je ze gebruiken om verkeer op moleculaire schaal te rapporteren."

Belemmeringen voor de markt

Deze nieuwe methode kan onderzoekers helpen bij het verhelpen van een groot obstakel bij het fabriceren van lab-on-a-chips: vooral opschaling. Op dit moment produceren onderzoekers nanosensoren met behulp van elektronenbundellithografie, maar deze techniek die een gefocusseerde elektronenbundel gebruikt om langzaam patronen te kerven in metalen oppervlakken, is kostbaar en tijdrovend. Hoewel de methode uiterst nauwkeurig is, kost deze ook een aanzienlijk bedrag. Volgens Fang is het normaal dat bedrijven dergelijke apparatuur voor $ 200 per uur huren. Het vervaardigen van een zes-millimeter-vierkant patroon duurt meestal ongeveer een halve dag en Fang schat dat als deze sensoren op de markt komen, ze meer dan $ 600 per stuk zouden kosten.
Fang zegt:

"Niemand wil chips die duur zijn, biologietests zijn op zoek naar iets dat goedkoop en toch betrouwbaar is en dat sommige van de duurdere technologieën uitsluit."

Hoewel dit ook enkele vandaag ontwikkelde technologieën kan uitsluiten die goedkoper zijn. Een andere methode die bijvoorbeeld wordt gebruikt, is lithografie lithografie, deze techniek is een eenvoudig, goedkoop proces waarbij een gietbaar polymeer op een hoofdcircuitpatroon wordt gedrukt. Wanneer het polymeer wordt blootgesteld aan UV-licht, hardt het uit. Het wordt dan van het hoofdcircuit gepeld en creëert een mal die kan worden gevuld met een metalen substraat om een ??replica van het oorspronkelijke patroon te maken. Gewoonlijk wassen onderzoekers de mal weg om het verse metalen patroon te isoleren.
Volgens Fang, hoewel deze techniek goedkoop is, kan het ook onnauwkeurig zijn, omdat het polymeermateriaal soms niet precies past rond het oorspronkelijke patroon, dit kan ertoe leiden dat de mal deuken, bobbels en andere onvolkomenheden heeft, evenals mallen die niet precies zijn hetzelfde als het origineel. Omdat onderzoekers de polymeermal wegwassen, moeten ze meer materiaal gebruiken om extra kopieën te maken.

Inspiratie van glasblazers

Samen met zijn collega's bedachten ze een methode die mogelijk de problemen kon oplossen die andere technologieën kosten, precisie en reproduceerbaarheid hebben. Hun benadering is vergelijkbaar met de lithografie-lithografie, maar in plaats van polymeer hebben ze glas als vormmateriaal gebruikt.
Fang legt uit:

"Ik werd geïnspireerd door glasblazers, die hun vaardigheden daadwerkelijk gebruiken om flessen en bekers te vormen. Hoewel we glas als kwetsbaar beschouwen, is het in het gesmolten stadium eigenlijk heel kneedbaar en zacht en kan het snel en soepel de vorm aannemen van een gipsvorm. Dat is op grote schaal, maar verbazingwekkend werkt het ook op kleine schaal heel goed, op een zeer hoge snelheid. "

Het team ging op zoek naar een glasachtig materiaal dat aan hun eisen voldeed. Ze ontdekten de perfecte kandidaat in een vorm van superionisch glas. Deze vorm van glas bestaat deels uit ionen, die bij verpompen met spanning elektrochemisch geactiveerd kunnen worden.
Na het vullen van kleine spuiten met glasdeeltjes verhit men vervolgens de naald om het glas binnenin te smelten. Eenmaal gesmolten, werd het gesmolten glas vervolgens op een hoofdpatroon gedrukt, waarbij een vorm werd gevormd die uithardde bij afkoeling. Hierop drukten ze de nieuw gemaakte mal op een plat zilver substraat en brachten een kleine potentiaal van 90 millivolt boven de zilverlaag aan. Dit stimuleerde ionen in beide oppervlakken, waardoor de glazen mal in het metalen substraat sneed.
Ze waren in staat patronen van minuscule puntjes te maken, 30 nanometer breed, in de vorm van rechthoeken, driehoeken en, speels, een ionische kolom, met een resolutie die veel preciezer is dan de lithografische lithografietechniek.
Fang zei: "Je krijgt een betere snede en we hebben een stempel die vele malen kan worden hergebruikt."
Hoewel Fang begrijpt dat er nog steeds kostenbarrières bestaan ??voor deze techniek, omdat er nog steeds een meester-metaalpatroon nodig is, gemaakt door middel van dure lithografie. Hij benadrukt dat slechts één hoofdpatroon en één glasstempel nodig is om een ??hele reeks van dezelfde sensor massaal te produceren, wat grootschalige productie mogelijk dichter bij de werkelijkheid zou brengen.
Fang legt uit:

"Met deze stempel kan ik misschien tientallen honderden van deze sensoren reproduceren, en elk van hen zal bijna identiek zijn. Dit is dus een fascinerende vooruitgang voor ons, en stelt ons in staat om efficiëntere antennes te printen."

Geschreven door Grace Rattue