Nowe materiały zwiększające stopień integracji układów „lab-on-a-chip”
Nanoanteny zintegrowane z krzemowymi układami scalonymi umożliwiają identyfikację obecności wybranych molekuł w diagnostyce medycznej, wykrywanie materiałów wybuchowych czy rozpoznawanie substancji zanieczyszczających środowisko. Do każdego rodzaju molekuł przypisany jest inny zakres częstotliwości drgań własnych, tzw. „odcisk palca”, który można wykryć, oświetlając daną substancję światłem podczerwonym. Sygnał generowany przez nawet najmniejszą liczbę molekuł jest wzmacniany przez nanoanteny z metali przewodzących wychwytujące i skupiające światło. Obecnie te mikroskopijne anteny są wytwarzane z metali, zwykle złota, które charakteryzuje się doskonałymi właściwościami przewodzącymi. Naukowcy uczestniczący w finansowanym przez UE projekcie GEMINI (Germanium mid-Infrared Plasmonics for Sensing) zdecydowali się zastąpić złoto w czujnikach podczerwonych innymi materiałami, takimi jak german, który w układzie okresowym znajduje się o wiele bliżej krzemu niż złoto. W skład konsorcjum zajmującego się tym zagadnieniem wchodziły Politechnika Mediolańska oraz Uniwersytet Sapienza w Rzymie (Włochy), University of Glasgow (Zjednoczone Królestwo) oraz University of Konstanz (Niemcy). „German to półprzewodnik, który może być z powodzeniem używany w procesach produkcyjnych opracowanych dla krzemu” – mówi Paolo Biagioni, koordynator projektu, starszy wykładowca fizyki na Politechnice Mediolańskiej i ekspert w dziedzinie plazmoniki – gałęzi nauki zajmującej się budową odbijających światło nanoskalowych systemów antenowych z metalu. Głównym celem projektu jest zintegrowanie zautomatyzowanych urządzeń do wykrywania szkodliwych substancji z bioczujnikami typu „lab-on-a-chip”. Jednakże, ponieważ anteny na bazie metali nie są kompatybilne z powszechnie stosowanymi procesami na bazie krzemu, nie da się ich wytwarzać na standardowych liniach do produkcji krzemowych chipów półprzewodnikowych, co zwiększa koszt takich anten. Imitowanie metalu „Domieszkowanie – czyli wprowadzenie atomów odmiennego typu do sieci krystalicznej danego materiału, w tym przypadku fosforu – innego materiału półprzewodnikowego, takiego jak german, sprawia, że przy określonych częstotliwościach optycznych półprzewodnik zaczyna zachowywać się jak metal” – mówi prof. Biagioni. Mimo że proces ten w obrębie widma promieniowania widzialnego nie należy do najłatwiejszych, „projekt umożliwił wytwarzanie półprzewodników naśladujących zachowanie metali w podczerwieni” – dodaje. Wafle krzemowe wykorzystywane w mikroelektronice są pokryte cienką warstwą domieszkowanego germanu, w którą następnie wtrawiane są nanoanteny. „Uzyskaliśmy rekordowe wartości w zakresie poziomu domieszkowania germanu” – uzupełnia prof. Biagioni. „Teraz możemy bezpiecznie powiedzieć, że german stanowi opłacalną alternatywę dla metali używanych dotąd do produkcji anten działających w podczerwieni”. Systemy detekcji Czujniki działające w średniej podczerwieni mogą być wykorzystywane do oznaczania gazów w atmosferze czy analitów z roztworach o wysokiej specyficzności molekularnej. Chociaż projekt GEMINI miał charakter badania podstawowego, a jego celem nie obejmował opracowania konkretnych detektorów, zespół skupił się na dwóch podstawowych zastosowaniach – wykrywaniu płynów modelowych imitujących ciekłe substancje wybuchowe oraz wykrywaniu łańcuchów DNA w roztworach. W przypadku substancji wybuchowych zespół dotarł już do etapu weryfikacji poprawności koncepcji. „Jeśli zaś chodzi o detektory DNA, udało nam się rozróżnić pojedyncze łańcuchy DNA przy użyciu światła podczerwonego. Jest to przydatne np. jeśli zachodzi potrzeba określenia dokładnego stężenia jedno- i dwuniciowych łańcuchów DNA” –dodaje prof. Biagioni. Odkrycia dokonane w ramach projektu mogą mieć ogromny wpływ na jednochipowe urządzenia do diagnostyki medycznej oraz detektory substancji zanieczyszczających środowisko.
Słowa kluczowe
GEMINI, czujniki, nanotechnologia, diagnostyka, środowisko, mikrochip, zdrowie
