En grafen-baseret sensor, der er indstillelig og meget følsom

Mange områder inden for grundforskning er interesseret i grafen på grund af dets enestående egenskaber. Det er lavet af et lag af kulstofatomer, hvilket gør den let og robust, og det er en fremragende termisk og elektrisk leder. På trods af dets tilsyneladende ubegrænsede potentiale, imidlertid, få applikationer er blevet påvist til dato. Forskere ved EPFL's Bionanophotonic Systems Laboratory (BIOS) sammen med forskere fra Institute of Photonic Sciences (ICFO, Spanien) har nu tilføjet endnu en. De har udnyttet grafens unikke optiske og elektroniske egenskaber til at udvikle en rekonfigurerbar meget følsom molekylesensor.

Resultaterne er beskrevet i en artikel i den seneste udgave af tidsskriftet Videnskab .

Fokusering af lys for at forbedre sansningen

Forskerne brugte grafen til at forbedre en velkendt metode til molekyle-detektion:infrarød absorptionsspektroskopi. I standardmetoden lys bruges til at excitere molekylerne, som vibrerer forskelligt afhængigt af deres natur. Det kan sammenlignes med en guitarstreng, som giver forskellige lyde afhængigt af dens længde. I kraft af denne vibration, molekylerne afslører deres tilstedeværelse og endda deres identitet. Denne "signatur" kan "læses" i det reflekterede lys.

Denne metode er ikke effektiv, imidlertid, ved påvisning af molekyler af nanometrisk størrelse. Bølgelængden af ​​den infrarøde foton rettet mod et molekyle er omkring 6 mikron (6, 000 nanometer - 0,006 millimeter), mens målet kun måler nogle få nanometer (ca. 0,000001 mm). Det er meget udfordrende at detektere vibrationen af ​​et så lille molekyle i reflekteret lys.

Det er der, grafen kommer ind. Hvis man får den korrekte geometri, grafen er i stand til at fokusere lyset på et præcist sted på dets overflade og "høre" vibrationen af ​​et nanometrisk molekyle, der er knyttet til det. "Vi mønstrer først nanostrukturer på grafenoverfladen ved at bombardere den med elektronstråler og ætse den med oxygenioner, "sagde Daniel Rodrigo, medforfatter til publikationen. "Når lyset kommer, elektronerne i grafen -nanostrukturer begynder at svinge. Dette fænomen, kendt som 'lokaliseret overfladeplasmonresonans, ' tjener til at koncentrere lyset til små pletter, som er sammenlignelige med målmolekylernes dimensioner. Det er derefter muligt at detektere nanometriske strukturer. "

Omkonfiguration af grafen i realtid for at se molekylets struktur

Der er mere til det. Ud over at identificere tilstedeværelsen af ​​nanometriske molekyler, denne proces kan også afsløre arten af ​​de bindinger, der forbinder de atomer, som molekylet er sammensat af.

Når et molekyle vibrerer, den afgiver ikke kun én type "lyd". Den producerer en lang række vibrationer, som dannes af bindingerne, der forbinder de forskellige atomer. For at vende tilbage til eksemplet med guitaren:hver streng vibrerer forskelligt og sammen danner de ét musikinstrument. Disse nuancer giver information om arten af ​​hver binding og om hele molekylets helbred. "Disse vibrationer fungerer som et fingeraftryk, der giver os mulighed for at identificere molekylet; såsom proteiner, og kan endda fortælle deres helbredsstatus," sagde Odeta Limaj, en anden medforfatter til publikationen.

For at opfange lyden fra hver af strengene, det skal være muligt at identificere en hel række af frekvenser. Og det er noget grafen kan. Forskerne "afstemte" grafen til forskellige frekvenser ved at anvende spænding, hvilket ikke er muligt med strømsensorer. At få grafens elektroner til at svinge på forskellige måder gør det muligt at "aflæse" alle vibrationer i molekylet på dets overflade. "Vi testede denne metode på proteiner, som vi har knyttet til grafenen. Det gav os et fuldstændigt billede af molekylet, " sagde Hatice Altug.

Et stort skridt tættere på at bruge grafen til molekylføling

Den nye grafenbaserede proces repræsenterer et stort skridt fremad for forskerne, af flere grunde. Først, denne enkle metode viser, at det er muligt at udføre en kompleks analyse med kun én enhed, mens det normalt kræver mange forskellige. Og alt dette uden at understrege eller ændre den biologiske prøve. Sekund, det viser grafens utrolige potentiale inden for detektionsområdet. "Der er mange mulige anvendelser, " sagde Altug. "Vi fokuserede på biomolekyler, men metoden bør også fungere for polymerer, og mange andre stoffer, " tilføjede hun.