Billiger und präziser Biosenser mit neuem Glasstempel

In Zukunft könnte die Mikrochiptechnologie ausreichend fortgeschritten sein, um es Klinikern zu ermöglichen, Tests durchzuführen, beispielsweise um spezifische Moleküle wie Krebszellen im Frühstadium für buchstäblich Hunderte von Krankheiten zu trennen, indem nur ein Tropfen Blut verwendet wird. Die Herstellung solcher "Chip-Labor" -Designs ist jedoch eine technisch anspruchsvolle, zeitaufwendige und teure Aufgabe, da sie winzige, integrierte diagnostische Sensorarrays auf Oberflächen von nur einem Quadratzentimeter Größe zusammenbauen. Die neue Technik wird in der Online-Ausgabe der Zeitschrift vom 21. September berichtet Nanotechnologie.
Forscher am MIT haben nun eine einfache Methode entwickelt, die präzise, ??reproduzierbar und zeit- und kostensparend für die Herstellung solcher Sensoren ist. Nicholas Fang, außerordentlicher Professor für Maschinenbau, hat eine Gravurmethode entwickelt, die aus winzigen Punkten besteht, die kleiner als ein Hundertstel der Breite eines menschlichen Haares sind und mit einem kleinen, spannungsaktivierten Stempel winzige, nanometergroße Muster auf metallischen Oberflächen schneiden aus Glas gefertigt. Er erklärt, dass die Gravuren als optische Antennen wirken und ein einzelnes Molekül durch die Aufnahme seiner spezifischen Wellenlänge identifizieren können.
Fang, erklärt:

"Wenn Sie in der Lage sind, eine optische Antenne mit präzisen Abmessungen zu erstellen, können Sie damit Datenverkehr auf molekularer Ebene melden."

Hindernisse auf dem Markt

Diese neuartige Methode kann Forschern helfen, ein großes Hindernis bei der Herstellung von Lab-on-a-Chip zu beseitigen: insbesondere bei der Maßstabsvergrößerung. Gegenwärtig stellen Forscher Nanosensoren unter Verwendung von Elektronenstrahllithographie her, jedoch ist diese Technik, die einen fokussierten Elektronenstrahl verwendet, um Muster langsam in metallische Oberflächen zu schneiden, kostspielig und zeitaufwendig. Obwohl die Methode äußerst präzise ist, kostet sie auch eine erhebliche Menge. Laut Fang ist es normal für Firmen, solche Ausrüstung für $ 200 pro Stunde zu mieten. Die Herstellung eines Sechs-Millimeter-Quadrat-Musters dauert in der Regel etwa einen halben Tag, und Fang schätzt, dass diese Sensoren, wenn sie auf den Markt kommen, mehr als 600 US-Dollar kosten würden.
Fang sagt:

"Niemand will Chips, die so teuer sind. Biologietests suchen nach etwas, das billig, aber zuverlässig ist. Und das schließt einige der schickeren, teureren Technologien aus."

Dies kann jedoch auch einige Technologien ausschließen, die heute entwickelt werden und billiger sind. Zum Beispiel ist ein anderes Verfahren, das verwendet wird, Nanoimprint-Lithographie, diese Technik ist ein einfacher, kostengünstiger Prozess, bei dem ein formbares Polymer auf ein Master-Schaltungsmuster gepresst wird. Wenn das Polymer UV-Licht ausgesetzt wird, härtet es aus. Es wird dann von der Hauptschaltung abgezogen und erzeugt eine Form, die mit einem Metallsubstrat gefüllt werden kann, um eine Kopie des ursprünglichen Musters herzustellen. Normalerweise waschen Forscher die Form weg, um das frische metallische Muster zu isolieren.
Obwohl diese Technik billig ist, kann sie auch ungenau sein, da das Polymermaterial manchmal nicht genau um das ursprüngliche Muster herum passt. Dies kann dazu führen, dass die Form Beulen, Unebenheiten und andere Unvollkommenheiten sowie Formen aufweist, die nicht genau sind das gleiche wie das Original. Weil Forscher die Polymerform wegwischen, müssen sie mehr Material verwenden, um zusätzliche Kopien herzustellen.

Inspiration von Glasbläsern

Zusammen mit seinen Kollegen haben sie eine Methode entwickelt, die möglicherweise die Probleme lösen kann, die andere Technologien hinsichtlich Kosten, Präzision und Reproduzierbarkeit haben. Ihr Ansatz ist ähnlich wie bei der Nanoimprint-Lithographie, aber statt Polymer verwendeten sie Glas als Formmaterial.
Fang erklärt:

"Ich wurde von Glasbläsern inspiriert, die ihre Fähigkeiten tatsächlich nutzen, um Flaschen und Becher zu formen. Obwohl wir Glas für zerbrechlich halten, ist es im geschmolzenen Zustand tatsächlich sehr formbar und weich und kann schnell und reibungslos die Form eines Gipsform. Das ist im großen Maßstab, aber erstaunlicherweise funktioniert es auch sehr gut im kleinen Maßstab, mit sehr hoher Geschwindigkeit. "

Das Team suchte nach einem glasigen Material, das ihren Anforderungen entsprach, und entdeckten den perfekten Kandidaten in Form von superionischem Glas. Diese Form von Glas besteht zum Teil aus Ionen, die bei einer Spannungspumpung elektrochemisch aktiviert werden können.
Nach dem Füllen kleiner Spritzen mit Glaspartikeln wurde die Nadel erhitzt, um das Glas zu schmelzen. Nach dem Schmelzen wurde das geschmolzene Glas dann auf ein Originalmuster gepreßt, wodurch eine Form gebildet wurde, die beim Abkühlen hart wurde. Anschließend pressten sie die neugebildete Form auf ein flaches Silbersubstrat und setzten ein kleines elektrisches 90-Millivolt-Potential über der Silberschicht ein. Dies stimulierte Ionen in beiden Oberflächen, wodurch die Glasform in das Metallsubstrat eintrat.
Sie waren in der Lage, winzige 30 Nanometer große Punkte in Form von Rechtecken, Dreiecken und, spielerisch, einer ionischen Säule mit einer Auflösung zu erzeugen, die viel präziser als die Nanoimprint-Lithographietechnik ist.
Fang sagte: "Sie haben einen besseren Schnitt. Und wir haben einen Stempel, der viele Male wiederverwendet werden kann."
Obwohl Fang versteht, gibt es immer noch Kostenbarrieren für diese Technik, da es immer noch ein mastermetallisches Muster benötigt, das durch teure Lithographie hergestellt wird. Er betont, dass nur ein Master-Muster und ein Glasstempel benötigt werden, um eine ganze Linie desselben Sensors in Massenproduktion zu produzieren, was möglicherweise eine Produktion in großem Maßstab näher an die Realität bringen könnte.
Fang erklärt:

"Mit diesem Stempel kann ich vielleicht mehrere hundert dieser Sensoren reproduzieren, und jeder von ihnen wird fast identisch sein. Das ist eine faszinierende Weiterentwicklung für uns und ermöglicht es uns, effizientere Antennen zu drucken."

Geschrieben von Grace Rattue