Ny biosensor er baseret på en nanowire krystal array

(PhysOrg.com) -- En hurtig, billig og meget følsom test, der identificerer sygdomsmarkører eller andre molekyler i lavkoncentrationsopløsninger, kunne være resultatet af en Cornell-udviklet nanomekanisk biosensor, som potentielt kan hjælpe med tidlig sygdomsopdagelse.

Biosensoren, baseret på et fotonisk krystal nanowire-array, blev udviklet af Yuerui Lu, en kandidatstuderende i laboratoriet hos Amit Lal, professor i elektro- og computerteknik. Deres forskning blev offentliggjort online 6. december i tidsskriftet Naturkommunikation.

Sensorens funktion blev bekræftet i samarbejde med Dan Luo, professor i biologisk og miljøteknik, og hans kandidatstuderende Songming Peng.

Det eksperimentelle apparat er en mekanisk resonator med en diameter på 50 mikrometer lavet af en tynd silicium-siliciumdioxidmembran med bestilt, tætpakkede lodrette nanotråde på toppen. Designet opnår et højt overflade-til-volumen-forhold til biomolekyle-detektion, hvilket betyder, at den kan detektere molekyler ved meget lave -- ned til femtomolære -- koncentrationer. Sensoren kunne være nyttig, for eksempel, for at finde nogle få molekyler i et glas vand.

Sensoren fungerer ved at fastgøre enkeltstrengede probe-DNA-molekyler på nanotrådene. Når disse molekyler kommer i kontakt med et enkeltstrenget mål-DNA, de relevante molekyler binder sammen, ændring af massen, der registreres af enheden. Masseændringen forårsager en ændring i enhedens resonansfrekvens.

En laserstråle skinner på enheden, og nanotrådenes innovative design giver mulighed for mere end 90 procent absorption af lyset, hvilket resulterer i en effektiv opto-termo-mekanisk excitation af resonatoren. En optisk udlæsning af resonansfrekvensændringen kan udføres eksternt, hurtigt og fri for elektriske ledninger, gør enheden praktisk og billig at lave, sagde forskerne.

Lal sagde, at han forestiller sig, at læger kunne bruge sådan en enhed i klinisk analyse, for eksempel, i DNA-test. Typisk i dag, DNA i udtaget blod sammenlignes med en standardsekvens.

Den nye enhed kunne i stedet kodes med særlige DNA-sekvenser af relevans, og disse specifikke molekyler kunne påvises i tidlige stadier, når koncentrationerne er lave.

"Du kunne have en patron med en række membransensorer, og du kunne hurtigt scanne for at se, hvilken DNA-ufuldkommenhed du måtte have, " sagde han. "Dagens test tager tid og er dyre."

Sådanne sensorer kan også være nyttige til miljømæssige applikationer, såsom vandkvalitetsovervågning. Forskerne håber at kunne forbedre deres enhed ved at gøre den følsom over for visse proteinmolekyler, som er vanskeligere, fordi de ikke binder så specifikt, som DNA-molekyler gør.