Nieuwe biosensoren werken op basis van minuscule gaatjes. Het Belgische imec heeft een manier gevonden om op betrouwbare wijze grote aantallen van die nanoporiën te produceren. Ingenieurs van het onderzoeksinstituut hebben dat woensdag bekendgemaakt.

Nanoporiën worden nu al gebruikt in geavanceerde apparaten om DNA uit te lezen, te sequencen (lees ook: ‘Diagnose binnen anderhalf uur dankzij snelle DNA-analyse hersentumor’  ). Dat werkt op basis van een gaatje in een membraan, met een diameter van slechts enkele nanometers. 

Door nu een lang molecuul door dit gaatje te trekken, varieert de stroomsterkte die over het gat loopt afhankelijk van welk molecuul op dat moment langskomt. Door de stroomsterkte precies te meten, is de basenvolgorde van een DNA-streng te bepalen.

Miljarden eiwitten tegelijk

Maar wetenschappers, vooral in de medische hoek, verwachten nog veel meer van nanopores, de nanometers brede gaatjes. Terwijl bij het uitlezen van DNA een beperkt aantal  nanoporiën kan volstaan , is de toekomst aan technieken die duizenden of misschien wel honderdduizenden nanoporiën tegelijk inzetten, vertelt onderzoeker Pol Van Dorpe, fellow bij imec. 

‘Het vakgebied van proteomics onderzoekt de rol van verschillende eiwitten in het menselijk lichaam. Dat is nogal complex, en onderzoekers hebben behoefte aan een techniek om in één keer miljoenen tot miljarden verschillende eiwitten te analyseren.’

Een dwarsdoorsnede (links) en een bovenaanzicht van de nieuwe nanoporie.

Doorbraak

Er is alleen een probleem: het blijkt nog lastig om op een betrouwbare manier duizenden nanogaatjes te fabriceren die allemaal precies dezelfde afmetingen hebben. Daarin heeft imec nu een doorbraak geboekt. 

Het onderzoekscentrum is er als eerste ter wereld in geslaagd om op een plak silicium vele honderden nanoporiën te maken van ongeveer 10 nanometer diameter. Daarbij was de uniformiteit over de hele siliciumplak hoog: dat wil zeggen dat elke nanoporie ongeveer even groot is.

Transistoren

Bij het fabriceren van de grote aantallen identieke nanoporiën maakten de onderzoekers gebruik van een EUV-lithografiemachine van ASML (zie de foto hieronder). ‘Die wordt doorgaans gebruikt om fijne sporen af te beelden, waaruit transistoren in een chip worden opgebouwd. Maar wij zetten dit apparaat in om de nanoporiën af te beelden’, zegt Van Dorpe. 

Lithografie is daarbij maar één van de stappen; er volgen nog verschillende andere stappen, waaronder het wegetsen van materiaal.

In een eerdere fase van het onderzoek gebruikten de imec-onderzoekers een oudere lithografiemachine (deep UV, dus met licht van langere golflengte) voor het afbeelden van de nanoporiën op het silicium. 

Maar de nieuwere EUV-machine heeft duidelijk meerwaarde, zegt Van Dorpe. ‘EUV geeft veel uniformere resultaten, zowel over een silicium wafer bekeken als tussen opeenvolgende batches.’ 

Een uitdaging was het nog wel om de weggeëtste nanoporiën goed schoon te krijgen. ‘In ons proces gebruiken we allerlei hydrofobe stoffen, en die hebben de neiging om in de kleinste gaatjes te kruipen.’

Voor het belichten van de wafers gebruikt imec een EUV-scanner van ASML.

Gevoeligheid voor enkele moleculen

De solid-state nanoporiën van imec zijn geschikt om individuele moleculen rechtstreeks te analyseren, zegt R&D-projectmanager Ashesh Ray Chaudhuri van imec in het persbericht. 

‘Die gevoeligheid voor enkele moleculen is cruciaal om snel virussen, DNA-moleculen of eiwitten te detecteren. Nu we de nanoporiën op waferschaal kunnen produceren, komt de ontwikkeling van compacte en betaalbare biosensoren echt binnen handbereik.’

Demonstratiesysteem

Imec heeft continu contact met onderzoekers in het medische domein en staat open voor samenwerkingen met medisch onderzoekers. Zelf werken imec-onderzoekers aan een demonstratiesysteem met 96 nanoporiën die parallel moleculen kunnen meten met hoge bandbreedte en lage ruis, vertelt Van Dorpe. 

‘Hiermee willen we de mogelijkheden laten zien. Zelfs met een beperkt aantal nanoporiën kunnen we al miljoenen moleculen doormeten.’ 

Dit demonstratiesysteem moet in de loop van 2026 klaar zijn.

Openingsbeeld: De eerste 300-millimeterplak silicium waarop nanoporiën zijn gefabriceerd. Alle foto's: imec