Krøllet grafen gør ultra-følsom kræft-DNA-detektor

Grafen-baserede biosensorer kunne indlede en æra med flydende biopsi, påvisning af DNA-kræftmarkører, der cirkulerer i en patients blod eller serum. Men nuværende design har brug for meget DNA. I en ny undersøgelse, krøllet grafen gør det mere end ti tusind gange mere følsomt over for DNA ved at skabe elektriske "hot spots, " fandt forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign.

Krøllet grafen kan bruges i en bred vifte af biosensing-applikationer til hurtig diagnose, sagde forskerne. De offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Denne sensor kan detektere ultralave koncentrationer af molekyler, der er markører for sygdom, hvilket er vigtigt for tidlig diagnose, " sagde studieleder Rashid Bashir, en professor i bioteknik og dekan ved Grainger College of Engineering i Illinois. "Det er meget følsomt, det er billigt, det er nemt at bruge, og det bruger grafen på en ny måde."

Mens ideen om at lede efter afslørende kræftsekvenser i nukleinsyrer, såsom DNA eller dets fætter RNA, er ikke ny, dette er den første elektroniske sensor, der registrerer meget små mængder, som kan findes i en patients serum, uden yderligere behandling.

"Når du har kræft, visse sekvenser er overudtrykt. Men i stedet for at sekventere nogens DNA, som tager meget tid og penge, vi kan detektere de specifikke segmenter, der er cancerbiomarkører i DNA og RNA, der udskilles fra tumorerne til blodet, " sagde Michael Hwang, den første forfatter til undersøgelsen og en postdoc-forsker i Holonyak Micro and Nanotechnology Lab i Illinois.

Grafen - et fladt ark af kulstof på et atom tykt - er en populær, lavprismateriale til elektroniske sensorer. Imidlertid, Nukleinsyresensorer udviklet indtil videre kræver en proces kaldet amplifikation - isolering af et DNA- eller RNA-fragment og kopiering af det mange gange i et reagensglas. Denne proces er langvarig og kan medføre fejl. Så Bashirs gruppe satte sig for at øge grafens sansekraft til det punkt, at de kunne teste en prøve uden først at amplificere DNA'et.

Mange andre tilgange til at øge grafens elektroniske egenskaber har involveret omhyggeligt udformede strukturer i nanoskala. I stedet for at fremstille specielle strukturer, Illinois-gruppen strakte simpelthen et tyndt ark plastik ud, lagde grafen ovenpå det, løsnede derefter spændingen i plastikken, hvilket får grafenen til at skrue sammen og danne en krøllet overflade.

De testede den sammenkrøllede grafens evne til at fornemme DNA og et kræftrelateret mikroRNA i både en bufferopløsning og i ufortyndet humant serum, og så ydeevnen forbedre titusindvis af gange i forhold til flad grafen.

"Dette er den højeste følsomhed, der nogensinde er rapporteret for elektrisk påvisning af et biomolekyle. Før, vi ville have brug for titusindvis af molekyler i en prøve for at opdage det. Med denne enhed, vi kunne detektere et signal med kun få molekyler, " sagde Hwang. "Jeg forventede at se en vis forbedring i følsomheden, men ikke sådan."

For at bestemme årsagen til dette boost i sansekraft, professor i mekanisk videnskab og ingeniørvidenskab Narayana Aluru og hans forskergruppe brugte detaljerede computersimuleringer til at studere den sammenkrøllede grafens elektriske egenskaber, og hvordan DNA fysisk interagerede med sensorens overflade.

De fandt ud af, at hulrummene tjente som elektriske hotspots, fungerer som en fælde for at tiltrække og holde på DNA- og RNA-molekylerne.

"Når du krøller grafen og skaber disse konkave områder, DNA-molekylet passer ind i kurverne og hulrummene på overfladen, så mere af molekylet interagerer med grafenet, og vi kan detektere det, " sagde kandidatstuderende Mohammad Heiranian, en medførsteforfatter af undersøgelsen. "Men når du har en flad overflade, andre ioner i opløsningen kan lide overfladen mere end DNA'et, så DNA'et interagerer ikke meget med grafenet, og vi kan ikke opdage det."

Ud over, krølling af grafen skabte en belastning i materialet, der ændrede dets elektriske egenskaber, inducering af et båndgab - en energibarriere, som elektroner skal overvinde for at strømme gennem materialet - hvilket gjorde det mere følsomt over for de elektriske ladninger på DNA- og RNA-molekylerne.

"Dette båndgab-potentiale viser, at krøllet grafen også kan bruges til andre applikationer, såsom nanokredsløb, dioder eller fleksibel elektronik, " sagde Amir Taqieddin, en kandidatstuderende og medforfatter til papiret.

Selvom DNA blev brugt i den første demonstration af krøllet grafens følsomhed over for biologiske molekyler, den nye sensor kunne indstilles til at detektere en bred vifte af målbiomarkører. Bashirs gruppe tester også krøllet grafen i sensorer til proteiner og små molekyler.

"Målet ville i sidste ende være at bygge patroner til en håndholdt enhed, der kunne detektere målmolekyler i nogle få dråber blod, for eksempel, på den måde, blodsukkeret overvåges, " sagde Bashir. "Visionen er at have målinger hurtigt og i et bærbart format."