Framtidens labb på ett biochip

En ny typ av mycket små elektroniska biosensorer har potential att göra dna-sekvensering och andra biokemiska analyser snabbare och billigare. Zhen Zhang utforskar de avancerade nanotekniker som används i mikroelektronik för att utveckla lab-on-a-chip, miniatyrlabb som kan avläsa låga halter joner från kemiska och biologiska prover.

Zhen Zhang

Docent i teknisk fysik

Wallenberg Academy Fellow 2015

Lärosäte:
Uppsala universitet

Forskningsområde:
Små elektroniska biosensorer för biokemisk analys i nanoskala

Längst ned i Ångströmlaboratoriet finns det renrum där Zhen Zhang och hans forskargrupp tillverkar sina pyttesmå elektroniska chip och sensorer, endast synliga i avancerade mikroskop. Komponenterna är gjorda av kisel och bara några få nanometer stora. De skräddarsys för att kunna upptäcka specifika kemiska joner eller biologiska molekyler, berättar han.

– Tekniken vi använder är verkligen cool. Vår målsättning är att göra många parallella analyser av olika prover på samma chip – och på det sättet konstruera miniatyriserade labb på en väldigt liten yta.

Zhen Zhang är docent i teknisk fysik med inriktning mot elektronik. Hans akademiska resa inleddes i hemlandet Kina med masterexamen i keramisk elektronik vid Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences. Att han hamnade i Sverige var lite av en slump.

– Halvledare var ett fält på stark framväxt och jag ville lära mig mer. Av en tillfällighet träffade jag en professor som rekommenderade KTH och 2003 åkte jag till Sverige för att studera halvledare och mikroelektronik. Det visade sig vara ett bra beslut.

Några år senare disputerade Zhen Zhang vid KTH i Kista med en avhandling om små transistorer baserade på kiselnanotrådar. Därefter följde fem års arbete på IBMs forskningscenter i New York.

– Det är ett framstående forskningscenter för halvledare och jag arbetade med den mest avancerade chipteknologin. Jag trivdes mycket bra där och fick ett värdefullt kontaktnät. Mina tidigare kollegor är viktiga samarbetspartner i det arbete jag gör idag.  

Vacker teknologi

År 2013 fick Zhen Zhang Ingvar Carlsson-priset och flyttade tillbaka till Sverige för att ta nästa steg i sin forskarkarriär, denna gång vid Uppsala universitet. Han fick i princip börja om från start. Hittills har det lyckats bra, konstaterar han.

– Med den här vackra halvledarteknologin går det att bygga miljarder identiska elektroniska komponenter på ett litet chip. Vi kan använda den till mycket men jag valde att undersöka hur vi kan skapa elektroniska biochip för olika ändamål, till exempel för övervakning av vattenföroreningar i realtid.

Till skillnad från dagens biochipsystem, som ofta är optiska och kräver support av dyr labbutrustning, är Zhen Zhangs biosensorer integrerade i elektroniken.

Det finns två stora användningsområden för elektroniska sensorer, förklarar han. Den ena är Internet of things, som är ett gigantiskt nätverk av sensorer. Här finns en stor efterfrågan på olika typer av sensorer med lågt pris som inte behöver ha så hög prestanda.

– Det andra området är precisionsmedicin. Här kan elektroniska sensorer användas för att kartlägga en persons DNA, eller hitta biomarkörer. Sensorer kan också användas i nya smarta diagnostikverktyg. Men de här biosensorerna behöver ha hög prestanda, vara mycket känsliga och pålitliga.

Zhen Zhang har haft god hjälp i arbetet med att bygga upp sin forskning i Sverige.

– Utan stödet från Shi-li Zhang, professor i fasta tillståndets elektronik vid Uppsala universitet, hade inte denna satsning varit möjlig. Vi har byggt upp ett mycket bra labb. Jag fick också bra stöd från professor Mikael Östling på KTH, vi har ett nära samarbete i andra elektronikprojekt.

Biosensor läser av laddningar

De senaste åren har Zhen Zhang fokuserat på att utveckla tekniken för att kunna bygga biochipen.

– Den elektroniska delen är helt färdig och fungerar riktigt bra nu. Vi har tillverkat nanotrådstransistorer och mycket små sensorer i det nya labbet. Nu testar vi hur de kan känna av dna-molekyler. Vi försöker också hitta ett sätt att upptäcka tungmetaller och antibiotikarester i vattenmiljöer.

”Det är fantastiskt och framförallt ett prestigefullt erkännande av min forskning. Anslaget gör det möjligt att etablera vårt labb och bygga upp forskargruppen för att utveckla nya avancerade biosensorer i nanostorlek.”

Med anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse ska forskargruppen detaljstudera interaktionen i gränssnittet mellan elektroniken och det vätskeprov som ska analyseras. I elektronikens värld är det laddningar som står i centrum, förklarar Zhen Zhang.

– Vi har en elektronisk komponent som kan upptäcka laddning, det kan vara från olika joner i de kemiska eller biologiska proverna. Vi vill kunna skilja på signaler från olika laddade partiklar.

Ett stort problem är det störande ljud som bildas vid experimenten, vilket grumlar signalavläsningen.

 – Signalen dividerat med ljudet ger prestandan. Vi vill förstå vilka processer som orsakar störningarna och hur vi kan minska dem, för att veta hur vi kan designa biochip med bra prestanda som kan analysera låga halter joner.

Forskningen är tvärvetenskaplig och Zhen Zhang har utöver KTH, Karolinska Institutet och IBM samarbeten med universitet i bland annat Kina, USA, Schweiz och Finland inom olika områden.

– Teknologin jag arbetar med här på Ångströmlaboratoriet är som konst. Jag vill utforska vad denna vackra konstart kan leda till för spännande applikationer i slutändan. Det är utmanande men också väldigt roligt.

 

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström