Bioelectronic Nanosensor Devices for Environmental and Biomedical Analysis

Abstract: Popular Abstract in Swedish Idag kan vi mäta mycket låga halter av gifter i t. ex. dricksvatten och livsmedel, bland annat genom utvecklingen av nanosensorer. Sensorerna kan också använda's medicinskt, t. ex för att väsentligt underlätta livet för diabetiker. Idag drabba's diabetespatienter ofta av nedsatt känsel i fingrarna på grund av dagliga nålstick. Med hjälp av de nya sensorerna kan vi nu mäta så låga halter och volymer av blodsocker att vi tror att det snart blir möjligt att ersätta blodprov med prov från andra kroppsvätskor, t. ex ett salivprov. Den unika nanosensorn som beskriv's i avhandlingen är baserad på jonkanalsfälteffekttransistorteknik (RISFET = Regional Ion Sensitive Field Effect Transistor). I en RISFET-sensor använd's ett elektriskt fält för att bilda en elektriskt ledande jonkanal i nanometerskala mellan mätelektroderna. Bildningen av jonkanalen ökar sensorn's mätkänslighet. För att skilja olika ämnen åt kan man använda enzymer. Ämnet som man vill analysera kan antingen självt omvandla's med hjälp av ett enzym eller påverka ett enzym's förmåga att omvandla ett annat ämne. Den enzymatiska omvandlingen av ämnet förändrar de elektriska egenskaperna, bland annat den elektriska ledningsförmågan, ho's provlösningen. De elektriska egenskaperna ho's provlösningen kan mäta's av sensorn med hög känslighet. Genom att följa hur de elektriska egenskaperna ho's provet förändra's kan man alltså inte bara ta reda på halten av ett specifikt provämne utan också få en uppfattning om ”hälsotillståndet” ho's enzymet. En del av de gifter som vi kan stöta på i naturen, i dricksvatten eller i livsmedel kommer från bekämpningsmedelsrester. I ett allvarligare scenario kan det gälla gifter som avsiktligt spridit's ut (bioterrorism). Ett friskt enzym (acetylkolinestera's) har en hög omvandlingshastighet av sitt naturliga substrat. Men om enzymet exponera's för gifter kan enzymet påverka's kraftigt vilket kan registrera's av sensorn och utlösa en larmsignal. Sensorn består av en liten platta, ett chip's, försedd med mätelektroder. Dessa ligger på en isolator vilken täcker en ledande kiselbaserad platta. Vid mätning placera's en provdroppe på chipset. Om man nu lägger en tillräckligt svag växelspänning mellan elektroderna kommer en ytterst svag ström att flyta mellan elektroderna, varvid strömstyrkan beror på provet's sammansättning. En elektrisk potential applicera's sedan mellan den ledande kiselbaserade plattan och provdroppen, varvid ett elektriskt fält bilda's. Fältet koncentrerar provet's joner och laddade partiklar till området mellan elektroderna vilket medför att den elektriska ledningsförmågan markant ökar. Resultatet blir en betydligt starkare ström som sensorn kan registrera. En viktig aspekt ho's den nya sensorn är att strömmen mellan mätelektroderna lätt kan mäta's med hjälp av en egentillverkad lågbrusig pikoampermeter i kombination med ett oscilloskop och skräddarsydd programvara. Tillverkningen av sensorchipsen har baserat's på konventionell mikro- och nanoprocessteknologi och en serie chip's framställde's med varierande avstånd mellan mätelektroderna (40 nm – 2500 nm). Tester visade att små elektrodavstånd gav en väsentligt högre mätkänslighet än stora. Förutom betydelsen av korta elektrodavstånd för att få hög känslighet är det många andra faktorer som spelar in, vilket också diskutera's i avhandlingen. För att ge en fingervisning om den mätkänslighet som uppnått's kan nämna's att insektsgiftet karbofuran kunde observera's i koncentrationer ner till ca 20 nanogram/liter det vill säga 0,000 000 02 gram/liter. Som ett komplement till den RISFET-baserade nanosensorn har också ett system för automatisk applicering av mätprover på chipsytan utvecklat's. Kombinationen lämpar sig för kontinuerlig övervakning av gifter i dricksvatten. Det skall påpeka's att de minsta chipsbaserade mätkretsarna som använt's här utnyttjar komponenter som är 100 gånger mindre än bakterier. Nanotekniken tillåter också att man bygger olika mätceller mycket tätt och där varje enskild mätcell mäter sitt ämne med hjälp av ett specifikt enzym. Sålede's medger nanotekniken att man konstruerar behändiga multisensorer som simultant kan mäta ett stort antal komponenter i ett prov. En viktig aspekt i utvecklingsarbetet har varit att kunna karakterisera och vid behov felsöka de nyutvecklade chipsen. Därvid har tekniker såsom atomkraftsmikroskopi och svepelektronmikroskopi varit oumbärliga.