Indskriver porøs, karboniserede mønstre til en polymer skaber følsomme elektroder, der detekterer biologiske molekyler

Brug af en laser til at brænde mønstre ind i et polymerark, KAUST-forskere har skabt grafenelektroder, der fungerer som effektive biosensorer.

Grafen er en plade af kulstof, kun et atom tyk, det er stærkt, fleksibel og meget ledende. Visse molekyler kan udløse en elektrisk reaktion, når de interagerer med grafen, hvilket gør den potentielt nyttig som en elektrokemisk sensor. En måde at øge dens følsomhed på er at skabe en stor, tilgængeligt overfladeareal af grafen ved at belægge det i tredimensionelle al porøse materialer. Imidlertid, dette kræver normalt dyre fremstillingsteknikker eller involverer kemiske bindemidler, der forstyrrer sensing. På trods af disse trin, grafenplader samles ofte, reducere deres samlede overfladeareal.

Professor i materialevidenskab og teknik Husam Alshareef og kolleger ved universitetet har udviklet en alternativ tilgang ved hjælp af en teknik kaldet laserscribing. Denne teknik opvarmer lokalt dele af en fleksibel polyimidpolymer til 2500 grader Celsius eller mere for at danne karboniserede mønstre af pletter på overfladen, der fungerer som elektroder.

Disse sorte pletter er omkring 33 mikrometer tykke, og deres meget porøse natur tillader molekyler at gennemtrænge materialet. Inde i plastrene, grafenpladerne har blotlagte kanter, der er meget effektive til at udveksle elektroner med andre molekyler. "Graphen-baserede elektroder med flere kant-plan steder er effektivt bedre end dem, der er afhængige af kulstof eller kulstof-ilt steder i materialets plan, " sagde postdocen i Alshareefs gruppe Pranati Nayak, der ledede undersøgelsen.

Forskerne tilføjede platinnanopartikelkatalysatorer til en af ​​elektroderne for at fremskynde de elektrokemiske reaktioner med andre molekyler. I forsøg med to forskellige testmolekyler, denne elektrode kunne udveksle elektroner hundredvis af gange hurtigere end andre kulstofbaserede elektroder og viste intet tab i ydeevne over 20 testcyklusser.

Holdet brugte denne grafen-baserede elektrode til at bygge en sensor (se billede) for tre biologisk vigtige molekyler:ascorbinsyre, dopamin og urinsyre. Når molekylerne rammer elektrodeoverfladen, de frigiver elektroner, generere en strøm proportional med deres koncentration. Afgørende, hvert molekyles elektrokemiske respons blev set ved en anden spænding, hvilket betyder, at enheden kunne måle deres koncentrationer samtidigt og uden forstyrrelser.

Elektroden detekterede nøjagtigt meget små (mikromolære) koncentrationer af molekylerne, slå flere rivaliserende elektroder på både følsomhed og de nedre detektionsgrænser. Forskerne håber nu at tilføje spor af andre atomer, såsom nitrogen, til grafen for at forbedre dets sensorydeevne og for at forstærke elektroderne med aptamerer, korte DNA-strenge, RNA eller peptider, der binder til specifikke målmolekyler, at skabe nye biosensorer.