Ny grafenbaseret enhed er første skridt i retning af ultrafølsomme biosensorer

Forskere ved University of Minnesota College of Science and Engineering har udviklet en unik ny enhed ved hjælp af vidundermaterialet grafen, der giver det første skridt mod ultrafølsomme biosensorer til at opdage sygdomme på molekylært niveau med næsten perfekt effektivitet.

Ultrasensitive biosensorer til sondering af proteinstrukturer kunne i høj grad forbedre diagnosedybden for en lang række sygdomme, der strækker sig til både mennesker og dyr. Disse omfatter Alzheimers sygdom, Kronisk spildsygdom, og gal ko -sygdom - lidelser relateret til proteinfejl. Sådanne biosensorer kan også føre til forbedrede teknologier til udvikling af nye farmaceutiske forbindelser.

Forskningen er publiceret i Naturnanoteknologi , et fagfællebedømt videnskabeligt tidsskrift udgivet af Nature Publishing Group.

"For at opdage og behandle mange sygdomme er vi nødt til at opdage proteinmolekyler i meget små mængder og forstå deres struktur, "sagde Sang-Hyun Åh, University of Minnesota elektriske og computertekniske professor og ledende forsker på undersøgelsen. "I øjeblikket, der er mange tekniske udfordringer med den proces. Vi håber, at vores enhed, der bruger grafen og en unik fremstillingsproces, vil levere grundforskning, der kan hjælpe med at overvinde disse udfordringer. "

Graphene, et materiale fremstillet af et enkelt lag carbonatomer, blev opdaget for mere end et årti siden. Det har begejstret forskere med sit udvalg af fantastiske egenskaber, der har fundet anvendelser i mange nye applikationer, herunder at skabe bedre sensorer til påvisning af sygdomme.

Der er gjort betydelige forsøg på at forbedre biosensorer ved hjælp af grafen, men udfordringen eksisterer med dens bemærkelsesværdige enkeltatomtykkelse. Det betyder, at det ikke interagerer effektivt med lys, når det skinner igennem det. Lysabsorbering og konvertering til lokale elektriske felter er afgørende for påvisning af små mængder molekyler ved diagnosticering af sygdomme. Tidligere forskning, der anvender lignende grafen -nanostrukturer, har kun vist en lysabsorptionshastighed på mindre end 10 procent.

I denne nye undersøgelse, Forskere fra University of Minnesota kombinerede grafen med metalbånd af nanostørrelse af guld. Ved hjælp af klæbende tape og en højteknologisk nanofabrikationsteknik udviklet ved University of Minnesota, kaldet "skabelonstripping, "forskere var i stand til at skabe en ultra-flad bundlagsoverflade til grafen.

De brugte derefter lysets energi til at generere en skrånende bevægelse af elektroner i grafen, kaldet plasmoner, som kan menes at være som krusninger eller bølger, der spredes gennem et "hav" af elektroner. Tilsvarende disse bølger kan bygge i intensitet til gigantiske "flodbølger" af lokale elektriske felter baseret på forskernes smarte design.

Ved at skinne lys på den enkeltatom-tykke grafenlagsenhed, de var i stand til at skabe en plasmonbølge med en hidtil uset effektivitet ved en næsten perfekt 94 procent lysabsorption i "tidevandsbølger" af elektriske felter. Når de indsatte proteinmolekyler mellem grafen- og metalbåndene, de var i stand til at udnytte nok energi til at se enkelte lag af proteinmolekyler.

"Vores computersimuleringer viste, at denne nye tilgang ville fungere, men vi var stadig lidt overraskede, da vi opnåede den 94 procent lysabsorbering i rigtige enheder, "sagde Åh, der har Sanford P. Bordeau -stolen i elektroteknik ved University of Minnesota. "At realisere et ideal fra en computersimulering har så mange udfordringer. Alt skal være så høj kvalitet og atomisk fladt. Det faktum, at vi kunne opnå en så god overensstemmelse mellem teori og eksperiment, var ganske overraskende og spændende."