Neuer Biosensor bietet verbesserte DNA-Erkennungsspezifität

Forscher haben erfolgreich einen neuartigen Biosensor vorgestellt, der einzelsträngige DNA-Oligonukleotide mit hoher Spezifität erkennen kann, ohne dass externe Markierungen erforderlich sind. Dieser Fortschritt ebnet den Weg für eine zugänglichere und effizientere Point-of-Care-Diagnostik. Die Studie, gemeldet In Maschinenbauträgt den Titel „Entwicklung eines integrierten CMUTs-basierten resonanten Biosensors zur markierungsfreien Erkennung von DNA mit verbesserter Selektivität durch Ethylenglykol-Alkanthiole.“

Der betreffende Biosensor basiert auf kapazitiven mikrostrukturierten Ultraschallwandlern (CMUTs), die sich als vielversprechend für die Entwicklung miniaturisierter, leistungsstarker Biosensorplattformen erwiesen haben. Bisherige CMUTs waren jedoch aufgrund ineffizienter Funktionalisierung, Aggregation und der Notwendigkeit einer externen Hochspannungsversorgung (HV) mit Einschränkungen konfrontiert.

Das Forschungsteam bewältigte diese Herausforderungen durch die Integration einer CMOS-Frontend-Schnittstelle mit Ethylenglykol-Alkanthiolen, die zur Funktionalisierung der Oberfläche der CMUTs verwendet wurden. Dieser Ansatz verbesserte die Selektivität der On-Chip-Hybridisierung deutlich, wie durch Fluoreszenzbildgebungstechnologie bestätigt wurde.

Das Sensorarray wurde mithilfe eines fünfelementigen Äquivalentmodells charakterisiert, und ein 4 mm2 großer ASIC-Chip (Application-Specific Integrated Circuit) wurde mithilfe der 0,18 μm HV Bipolar-CMOS-Double Diffused MOS (DMOS)-Technologie (BCD) entworfen und entwickelt. Der Chip konnte bei einer Standardversorgung von 1,8 V eine On-Chip-HV-Boosting- und Track-Feedback-Frequenz von 20 V erzeugen, bei einem geringen Gesamtstromverbrauch von 3,8 mW im Dauerbetrieb.

Die Ergebnisse der Studie zeigten eine Nachweisempfindlichkeit von 7,943 × 10−3 μmol∙ L−1∙Hz−1 über einen Konzentrationsbereich von 1 bis 100 μmol∙L−1. Die erfolgreiche Abscheidung selbstorganisierter Monoschichten auf Aluminiumelektroden unter Verwendung von Ethylenglykol-Alkanthiolen ist ebenfalls eine Premiere für die CMUT-Technologie und verbessert die Selektivität des Biosensors weiter.

Diese markierungsfreie Biosensortechnologie arbeitet unter trockenen Bedingungen und stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet mikrogefertigter CMUT-Arrays für die medizinische Diagnostik dar. Mit seinem kompakten Design und dem internen Hochspannungslieferanten verspricht dieser innovative Biosensor, die DNA-Erkennung zugänglicher und bequemer als je zuvor zu machen.

Die Auswirkungen dieser Forschung sind weitreichend und deuten auf das Potenzial einer vollständig integrierten DNA-Biosensorik auf Chips mit CMUT-Technologie hin. Da das Rennen um eine personalisiertere Medizin immer mehr Fahrt aufnimmt, sind Fortschritte wie diese von entscheidender Bedeutung, um eine schnelle und genaue Krankheitsdiagnose und -überwachung zu ermöglichen.

Da der Biosensor keine Markierung benötigt, verringert er auch die Kosten und Komplexität herkömmlicher Markierungstechniken und stellt somit eine attraktive Option für Point-of-Care-Anwendungen dar.

Die Autoren der Studie weisen darauf hin, dass weitere Forschung erforderlich ist, um die Leistung des Biosensors mit einem größeren Spektrum an Biomolekülen und in komplexeren Probenmatrizen zu untersuchen. Die aktuellen Erkenntnisse bilden jedoch eine solide Grundlage für die Entwicklung von Biosensoren der nächsten Generation, die nicht nur hochempfindlich und spezifisch, sondern auch benutzerfreundlich und kostengünstig sind.

In einer Zeit, in der Früherkennung der Schlüssel zur Verbesserung der Patientenergebnisse ist, könnte diese Technologie bahnbrechende Veränderungen mit sich bringen. Sie könnte bald in den verschiedensten Bereichen Anwendung finden, von Arztpraxen bis hin zu abgelegenen Gesundheitszentren, wo der Zugang zu hochentwickelter Diagnoseausrüstung begrenzt ist.

Die erfolgreiche Demonstration dieses mikrogefertigten CMUT-Arrays mit einer Frequenz von 2 MHz auf CMOS-Elektronik bereitet den Weg für zukünftige Fortschritte auf dem Gebiet der Biosensoren.