Tecnologia avançada de sensores:altamente responsivo e versátil, mesmo em ambientes líquidos

André Corselli
A equipe instalou sensores construídos com seu novo design de transistor de efeito de campo em placas de circuito integrado, como a mostrada aqui, para testar a precisão e a sensibilidade da detecção. Eles descobriram que sua abordagem facilita sensores que não são apenas responsivos, mas também altamente resistentes aos problemas de desvio de sinal enfrentados por projetos anteriores. (Imagem:Jaydyn Isiminger/Penn State)
Medir com precisão pequenas alterações em marcadores biológicos, como proteínas e neurotransmissores, ou produtos químicos nocivos no abastecimento de água pode identificar problemas críticos antes que tenham a oportunidade de afetar os pacientes ou o meio ambiente. Embora alguns sensores existentes possam monitorar a matéria microscópica por trás desses problemas, eles geralmente apresentam limitações. Um exemplo principal é um dispositivo conhecido como transistor de efeito de campo – um minúsculo componente que controla o fluxo de corrente elétrica em um sistema – que luta para permanecer estável quando exposto a líquidos.

Pesquisadores da Penn State projetaram um novo tipo de transistor de efeito de campo que pode facilitar a detecção responsiva e versátil, mesmo em ambientes ricos em líquidos como o corpo humano. Os sensores construídos com os transistores da equipe eram até 20 vezes mais sensíveis a vários sinais químicos e biológicos, como produtos químicos perigosos na água ou os níveis de dopamina no cérebro, do que outros sensores construídos com designs de transistores comparáveis. A equipe publicou seu trabalho em npj 2D Materials and Applications .

Aqui está um Tech Briefs exclusivo entrevista, editada para maior extensão e clareza, com Aida Ebrahimi e Vinay Kammarchedu, autores correspondentes e primeiros autores do artigo, respectivamente.

Resumos técnicos :Qual foi o maior desafio técnico que você enfrentou ao desenvolver esta tecnologia de detecção?

Ebrahimi e Kammarchedu :O principal obstáculo que encontramos foi o vazamento da porta quando os sensores de porta dupla foram imersos em ambientes líquidos. Embora o uso de back gates locais de alto k reduza com sucesso a espessura efetiva do óxido e suprima o vazamento elétrico em ambientes secos, os ambientes líquidos apresentam complicações graves. A área do eletrodo back-gate deve ser cuidadosamente minimizada para evitar correntes faradaicas causadas por defeitos de óxido. Defeitos de processamento microscópico que atuam como isolantes inofensivos no ar podem subitamente tornar-se vias ativas de vazamento de íons, uma vez colocados em uma solução. Além disso, o próprio material dielétrico é vulnerável à degradação eletroquímica e à corrosão assistida por água sob polarização, o que leva à falha do dispositivo. Acreditamos que este grave desafio técnico é uma das principais razões pelas quais os transistores de efeito de campo de grafeno de porta dupla não foram amplamente adotados na pesquisa ou na indústria até agora. Para superar isso, otimizamos nossa camada de óxido e refinamos nossos protocolos de fabricação para eliminar o maior número possível de defeitos microscópicos. Mais importante ainda, minimizamos com sucesso a área da porta traseira. Ao reduzir drasticamente essa pegada, cortamos efetivamente as vias ativas de vazamento de íons e suprimimos as correntes faradaicas, o que finalmente nos permitiu alcançar uma operação estável e confiável do sensor em ambientes líquidos.
Aida Ebrahimi, à esquerda, e Vinay Kammarchedu desenvolveram um design aprimorado de transistor de efeito de campo que pode alimentar sensores incrivelmente sensíveis e resilientes. (Imagem:Jaydyn Isiminger/Penn State)
Resumos técnicos :Você pode explicar em termos simples como funciona, por favor?

E&K :Pense em um transistor de efeito de campo padrão como uma torneira de água em uma pia. Quando a torneira – ou portão, como chamamos na eletrônica – está aberta, a corrente elétrica flui livremente pelo sistema. Quando o portão fecha, o fluxo para. Para fazer medições com sensores convencionais, é necessário ajustar constantemente o toque para cima e para baixo, o que causa instabilidade e leva a leituras imprecisas. Para resolver isso, projetamos um sistema com duas portas em vez de uma, o que nos dá controle independente sobre a quantidade de corrente que flui pelo sistema. O uso de duas portas nos permite manter a corrente funcionando constantemente, o que elimina uma das principais causas do desvio do sinal. Em seguida, adicionamos um sistema de feedback a uma das portas para rastrear com precisão como as moléculas impactam a voltagem do sensor. Como a porta superior tem 10 vezes a capacitância elétrica da porta inferior, ela é incrivelmente sensível ao ambiente, enquanto a porta inferior atua como um contrapeso eletrônico rígido. Essa relação amplifica os sinais. Se houver uma pequena alteração química na superfície do sensor, vemos isso multiplicado por 10 nas nossas medições, o que nos permite identificar claramente leituras químicas muito pequenas.

Resumos técnicos :Você tem alguma atualização que possa compartilhar?

E&K :Testamos com sucesso a resposta da plataforma a compostos orgânicos voláteis em fase gasosa. Especificamente, utilizamos nossa configuração de Modo Diferencial Fixo (DMF) para detectar álcool isopropílico. Em relação à comercialização, a Universidade Estadual da Pensilvânia registrou um pedido de patente provisório que cobre esta plataforma de detecção dupla controlada por feedback. Quanto aos materiais futuros, nosso uso de materiais escaláveis ​​e eletrônicos simples torna esta plataforma prontamente adaptável a outros materiais 2D no futuro. Atualmente, estamos trabalhando no projeto de experimentos para concretizar isso, o que inclui a otimização dos sensores para identificar compostos orgânicos voláteis associados à doença de Parkinson e explorar como nosso sistema opera com diferentes materiais 2D.

Resumos técnicos :Você tem algum conselho para pesquisadores que desejam concretizar suas ideias?

E&K :Nosso estudo é uma prova do poder da colaboração interdisciplinar e da adaptabilidade. Concretizamos essa ideia com sucesso, combinando conhecimentos em engenharia elétrica, engenharia biomédica e ciência de materiais para superar as limitações de longa data dos sensores de porta única. Meu maior conselho é permanecer flexível e pensar fora da caixa:originalmente, estávamos usando esses dispositivos para outro mecanismo de detecção, mas tivemos que mudar para esse novo mecanismo de feedback para alcançar a estabilidade e a sensibilidade que precisávamos.

Resumos técnicos :Há mais alguma coisa que você gostaria de acrescentar que eu não mencionei?

E&K :Gostaríamos muito de destacar o quão escalável e prático é o nosso sistema. Nossa arquitetura preenche com sucesso a lacuna entre materiais em nanoescala e ferramentas de diagnóstico práticas e portáteis. Integramos com sucesso vários sensores diretamente em placas de circuito personalizadas. Podemos integrar dezenas de sensores e medir cada um de forma independente, sem qualquer interferência elétrica. Ao empilhar matrizes dessas placas de circuito, podemos facilmente aumentar o número de sensores em um sistema, mantendo os próprios dispositivos incrivelmente pequenos. Queremos também acrescentar que, durante décadas, o apoio federal à investigação alimentou exactamente este tipo de inovação, e os recentes cortes no financiamento federal ameaçam o nosso progresso na resolução de problemas reais que afectam a saúde e a segurança humanas.