Ingeniører udvikler grafenbaseret biosensor, der fungerer på tre måder på én gang

(Phys.org) – Et af nanoteknologiens største løfter er at interagere med den biologiske verden, som vores egne celler gør, men nuværende biosensorer skal skræddersyes til at detektere tilstedeværelsen af ​​én type protein, hvis identitet skal være kendt på forhånd.

University of Pennsylvania ingeniører har nu udtænkt en ny slags grafen-baseret biosensor, der fungerer på tre måder på én gang. Fordi proteiner udløser tre forskellige typer signaler, sensoren kan triangulere disse oplysninger for at producere mere følsomme og præcise resultater. Ved at drage fordel af den unikke integration af flere fysiske sensortilstande på samme chip, denne sensorenhed kan udvide registreringsområdet for proteinkoncentrationen med tusind gange.

Denne udvidede rækkevidde kan være særlig nyttig ved tidlig diagnose af visse kræftformer, hvor blodets biomarkørkoncentration varierer i størrelsesordener fra patient til patient. Evnen til at foretage flere påvisninger af den samme biomarkør på den samme chip har også potentialet til at reducere falske positive og negative i medicinske diagnostiske tests.

Til sidst, en sådan teknik kunne bruges i en universel biosensor, som kunne identificere en bred vifte af proteiner gennem deres masse, samt deres optiske og elektriske egenskaber.

En biosensor, der ikke behøvede at finjusteres for kun at detektere specifikke proteiner, ville have et væld af biomedicinske applikationer i diagnostiske enheder.

Studiet, offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver , blev dirigeret af Ertugrul Cubukcu, adjunkt i afdelingerne for Materials Science and Engineering og Electrical and Systems Engineering på Penns School of Engineering and Applied Science, og medlemmer af hans laboratorium, Alexander Y. Zhu, Fei Yi, Jason C. Reed og Hai Zhu.

"I en typisk single mode biosensor har du to proteiner, der interagerer stærkt. Du binder protein A til din sensor og, når protein B binder sig til det, sensoren transducerer den binding til en slags elektrisk signal, " sagde Cubukcu, "Men det er en slags dum sensor, fordi den kun kan fortælle dig, om den slags binding er sket.

"Men lad os sige, at du har proteiner A, B, C og D, alle med forskellige fysiske egenskaber, som ladning og masse. Hvis du havde en sensor, der var følsom over for flere af disse egenskaber, du kunne se forskel på disse bindingshændelser uden at starte med tilsvarende proteiner for dem alle. "

Jo flere sensortilstande, der fungerer på én gang, jo bedre er en sensor til at skelne mellem lignende proteiner. Proteiner A og B kan have samme masse, men forskellige ladninger, mens protein B og C har samme ladninger, men forskellige optiske egenskaber.

En multimodal sensor, hentning af data fra flere kategorier, kunne indsnævre identiteten af ​​et protein ved at sammenligne disse værdier med en stor database. En sådan evne kunne potentielt gøre det muligt at anvende det på prøver, hvor proteinets indhold er ukendt, en større opgradering af den nuværende teknologi, der generelt involverer specialbyggede sensorer til at detektere tilstedeværelsen af ​​foruddefinerede sæt proteiner.

Holdets sensorer består af en base af siliciumnitrid, belagt med et lag grafen, et enkelt atom-tykt gitter af kulstofatomer. At være kulstofbaseret betyder, at grafen er en attraktiv bindingsoverflade for proteiner, hvilket betyder, at enheden ikke behøver at være "funktionaliseret" med proteiner, der er tilbøjelige til at interagere med dem, sensoren sigter efter at detektere.

Grafens ekstreme tyndhed og unikke elektriske egenskaber tillader også mekanisk, elektriske og optiske tilstande til at fungere samtidigt uden at forstyrre hinanden.

"I den mekaniske tilstand, grafen er som huden på en tromle, " sagde Alexander Zhu, undersøgelsens første forfatter, der dengang var bachelor og arbejdede i Cubukcus laboratorium. "Når proteiner binder, den samlede masse ændres og tromlens resonans ændres som funktion af den samlede masse.

"I den elektriske tilstand, vi kan se på, hvordan elektroner bevæger sig hen over grafenen. Konduktansen er en funktion af de samlede tilgængelige bærere indeni, så, hvis du har noget, der binder sig til grafen, som ændrer antallet af bærere og derfor konduktansegenskaberne.

"Endelig, i optisk tilstand, vi har en kilde til synligt lys og skinner det på sensoren og måler refleksionen. Når intet er bundet, det er kun at se luft, men, så snart proteiner binder sig, vi kan måle ændringen i brydningsindekset."

I deres undersøgelse, forskerne testede deres sensor med kendte prøver af proteiner for at demonstrere, at alle tre tilstande kan fungere samtidigt.

"Vi har vist, at en prøve giver alle tre skift, "Yi sagde, "i messen, elektriske og optiske aflæsninger. "

Yderligere arbejde fra Cubukcus gruppe vil undersøge muligheden for at bruge denne multimodale sensor til at identificere proteiner fra ukendte prøver.