Forskere udvikler grafen nano-pincet, der kan gribe individuelle biomolekyler

Forskere fra University of Minnesota College of Science and Engineering har fundet endnu en bemærkelsesværdig anvendelse af vidundermaterialet grafen - bittesmå elektroniske "pincet", der kan gribe biomolekyler, der flyder i vand med en utrolig effektivitet. Denne evne kunne føre til et revolutionerende håndholdt sygdomsdiagnostiksystem, der kunne køres på en smartphone.

grafen, et materiale lavet af et enkelt lag af kulstofatomer, blev opdaget for mere end et årti siden og har begejstret forskere med sin række fantastiske egenskaber, der har fundet anvendelse i mange nye applikationer fra mikroelektronik til solceller.

Grafenpinceterne udviklet ved University of Minnesota er langt mere effektive til at fange partikler sammenlignet med andre teknikker brugt i fortiden på grund af det faktum, at grafen er et enkelt atom tykt, mindre end 1 milliardtedel af en meter.

Forskningsundersøgelsen blev offentliggjort i dag i Naturkommunikation , et førende tidsskrift inden for nanomaterialer og enheder.

Verdens skarpeste pincet

Det fysiske princip med at pincet eller fange objekter i nanometerskala, kendt som dielektroforese, har været kendt i lang tid og praktiseres typisk ved brug af et par metalelektroder. Fra et synspunkt om at gribe molekyler, imidlertid, metalelektroder er meget stumpe. De mangler simpelthen "skarphed" til at opfange og kontrollere objekter i nanometerskala.

"Graphene er det tyndeste materiale, der nogensinde er opdaget, og det er denne egenskab, der gør det muligt for os at gøre disse pincet så effektive. Intet andet materiale kan komme i nærheden, " sagde leder af forskningsteamet Sang-Hyun Oh, en Sanford P. Bordeau-professor ved University of Minnesota's Department of Electrical and Computer Engineering. "At bygge en effektiv elektronisk pincet til at gribe biomolekyler, dybest set er vi nødt til at skabe miniaturiserede lynafledere og koncentrere en enorm mængde elektrisk flux på den skarpe spids. Kanterne af grafen er de skarpeste lynafledere."

Holdet viste også, at grafenpincetterne kunne bruges til en bred vifte af fysiske og biologiske anvendelser ved at fange halvledernanokrystaller, nanodiamant partikler, og endda DNA-molekyler. Normalt vil denne type fangst kræve høje spændinger, begrænse det til et laboratoriemiljø, men grafenpincet kan fange små DNA-molekyler ved omkring 1 volt, hvilket betyder, at dette kunne fungere på bærbare enheder såsom mobiltelefoner.

Ved at bruge University of Minnesotas avancerede nanofabrikationsfaciliteter ved Minnesota Nano Center, elektrisk og computerteknik Professor Steven Koesters team lavede grafenpincet ved at skabe en sandwichstruktur, hvor et tyndt isolerende materiale kaldet hafniumdioxid er klemt mellem en metalelektrode på den ene side og grafen på den anden. Hafniumdioxid er et materiale, der er almindeligt anvendt i nutidens avancerede mikrochips.

"En af de fantastiske ting ved grafen er, at det er kompatibelt med standardbehandlingsværktøjer i halvlederindustrien, hvilket vil gøre det meget nemmere at kommercialisere disse enheder i fremtiden, sagde Koester, der ledede bestræbelserne på at fremstille grafenanordningerne.

"Da vi er de første til at demonstrere en sådan laveffekt fangst af biomolekyler ved hjælp af grafenpincet, Der skal stadig gøres mere arbejde for at bestemme de teoretiske grænser for en fuldt optimeret enhed, " sagde Avijit Barik, en kandidatstuderende i el- og computeringeniør ved University of Minnesota og hovedforfatter af undersøgelsen. "Til denne indledende demonstration, vi har brugt sofistikerede laboratorieværktøjer såsom et fluorescensmikroskop og elektroniske instrumenter. Vores ultimative mål er at miniaturisere hele apparatet til en enkelt mikrochip, der betjenes af en mobiltelefon."

Pincet, der kan 'føles'

En anden spændende udsigt til denne teknologi, der adskiller grafenpincet fra metalbaserede enheder, er, at grafen også kan "føle" de fangede biomolekyler. Med andre ord, pincetten kan bruges som biosensorer med udsøgt følsomhed, der kan vises ved hjælp af simple elektroniske teknikker.

"Graphene er et ekstremt alsidigt materiale, " sagde Koester. "Det laver fantastiske transistorer og fotodetektorer, og har potentiale for lysemission og andre nye biosensorenheder. Ved at tilføje evnen til hurtigt at gribe og fornemme molekyler på grafen, vi kan designe en ideel elektronikplatform med lav effekt til en ny type håndholdt biosensor."

Åh er enig i, at mulighederne er uendelige.

"Udover grafen, vi kan bruge en lang række andre todimensionelle materialer til at bygge atomisk skarpe pincet kombineret med usædvanlige optiske eller elektroniske egenskaber, " sagde Åh. "Det er virkelig spændende at tænke på atomisk skarpe pincet, der kan bruges til at fange, følelse, og frigiver biomolekyler elektronisk. Dette kunne have et stort potentiale for point-of-care diagnostik, hvilket er vores ultimative mål for denne kraftfulde enhed."

Ud over Oh, Koester, og Barik, andre forskere på holdet inkluderer University of Minnesota Department of Electrical and Computer Engineering Assistant Professor Tony Low, kandidatstuderende Yao Zhang, og postdoc-forsker Roberto Grassi, samt professor Joshua Edel og forskningsassistent Binoy Paulose Nadappuram fra Imperial College London.

University of Minnesota forskning blev primært finansieret af National Science Foundation og Minnesota Partnership for Biotechnology and Medical Genomics, et unikt samarbejde mellem University of Minnesota, Mayo Clinic, og staten Minnesota.