I den seneste generation af små biosensorer, størrelse er ikke alt

(Phys.org) - Når det kommer til nanomedicin, mindre er - overraskende nok - ikke altid bedre.

UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science-forskere har fastslået, at den minimale størrelse af nanotrådbaserede biosensorer-som sundhedspersonale bruger til at opdage proteiner, der markerer starten på hjertesvigt, kræft og andre sundhedsrisici - er ikke det, der gør dem mere følsomme end andre diagnostiske enheder. Hellere, det, der betyder mest, er samspillet mellem de ladede ioner i den biologiske prøve, der testes, og de ladede proteiner fanget på sensorernes overflade.

Fundet modvirker år med traditionel visdom om, at en biosensor kan gøres mere følsom ved blot at reducere diameteren på de nanotråde, der udgør enheden. Denne antagelse har drevet hundredvis af dyre forsknings- og udviklingsindsatser inden for nanomedicin-hvor små materialer og enheder bruges til at opdage, diagnosticere og behandle sygdom.

Forskningen foreslår nye retninger til design af biosensorer for at forbedre deres følsomhed og gøre dem mere praktiske for læger - og, til sidst, patienterne selv - at bruge.

"Det er første gang, forståelsen af, hvorfor nanotråde biosensorværker er blevet udfordret, "sagde Chi On Chui, en lektor i elektroteknik og bioingeniør ved UCLA, hvis laboratorium udførte forskningen. "Fordelen er ikke, at ledningerne er i nanoskala, men snarere hvordan deres geometri reducerer ionernes evne til at hæmme proteindetektion. Denne forskning kan være et skridt i retning af at udvikle sofistikerede, omkostningseffektive og bærbare enheder til nøjagtigt at opdage en række sygdomme. "

Forskningen blev offentliggjort den 25. marts i Procedurer fra National Academy of Sciences .

Nanowire biosensorer er, i det væsentlige, elektroniske transistorer med en diameter mindre end bredden af ​​en enkelt rød blodlegeme. Når de udsættes for en blodprøve eller en anden kropsvæske, de specifikke ladede proteiner, der testes for, fanges på nanotrådens overflader. Ladningen af ​​de indfangede proteiner ændrer hastigheden af ​​elektrisk strøm, der strømmer gennem nanotrådstransistoren. Ved at overvåge den elektriske strøm, forskere kan kvantificere koncentrationen af ​​proteiner i prøven, hvilket kan give dem en indikation af hjertesundhed, diabetes og en række andre medicinske tilstande.

En udfordring for den praktiske anvendelse af teknologien er, at ud over de ladede proteiner, mange fysiologiske væsker indeholder en stor koncentration af ladede ioner, såsom natrium, kalium og chlorid. Disse ioner omgiver proteinerne og maskerer proteinladningen, som forhindrer sensoren i at registrere proteiner.

Forskere i laboratorier kan omgå dette problem. Men læger, der udfører test på deres patienter eller patienter, der overvåger deres eget helbred derhjemme, kan ikke gøre det uden hjælp fra en tekniker. Dette har hæmmet vedtagelsen af ​​teknologien.

UCLA -forskningen fremmer forståelsen af ​​nanotrådseffektivitet på flere måder. Først, det beviser, at nanotrådens lille størrelse ikke i sig selv er ansvarlig for, at de overgår deres plane modparter.

Sekund, det viser, at forbedringen af ​​ydeevnen skyldes, at ionisk screening reduceres i trange rum - f.eks. hjørnerne mellem en nanotråd og basen, den sidder på - fordi ioner har svært ved at nærme sig proteiner der. Denne hjørneeffekt findes i de fleste biosensorstrukturer, om de er nanoskala eller ej men effekten bliver vigtigere på nanoskalaen.

Undersøgelsen viser også, at generelt enheder med konkave overflader fungerer mere effektivt end dem med konvekse overflader.

"Mit håb er, at forskere kan bruge denne forståelse til at gøre to ting, "sagde Kaveh Shoorideh, UCLA Engineering -kandidatstuderende, der er første forfatter til forskningen. "Først, at lave følsomme biosensorer uden at ty til dyre nanotråde, og for det andet, at finde på måder at reducere ionisk screening uden at kræve en tekniker. "