Fingeraftryk biomolekyler ved hjælp af lyd

Et team af forskere fra Institut for Optoelektroniske Systemer og Mikroteknologi ved Universidad Politécnica de Madrid (UPM) har designet en biosensor, der er i stand til at identificere proteiner og peptider i mængder så lave som et enkelt monolag. Til det genereres en overfladeakustisk bølge (SAW), en slags elektrisk styret nanojordskælv på en chip, med en integreret transducer til at virke på en stak 2D-materialer belagt med de biomolekyler, der skal detekteres.

Som de rapporterer i tidsskriftet Biosensors and Bioelectronics i en artikel med titlen "Surface-akustisk-bølgedrevet grafen plasmonisk sensor til fingeraftryk af ultratynde biolag ned til monolagsgrænsen," ville SAW'en kruse overfladen af ​​en grafen-baseret stak på en sådan måde, at den begrænser mellem-infrarødt lys til meget små volumener, hvilket forbedrer lys-stof-interaktioner på nanoskala.

Især kvasipartikler, der er delvist lys (fotoner) og delvist stof (elektroner og gittervibrationer), kaldet overflade plasmon-phonon polaritoner, dannes ved den krusede stak, der spiller stærkt sammen med molekylerne ovenpå.

Organiske molekyler absorberer visse bølgelængder af lys i det mellem-infrarøde område, der er karakteristiske for deres kemiske sammensætning og struktur. Derfor giver dette sæt af absorptionsresonanser, kaldet deres vibrationsfingeraftryk, mulighed for identifikation af den organiske forbindelse.

"Ved at styrke interaktionen mellem lys og biomolekyler, der er deponeret oven på sensoren, ville vi være i stand til at identificere analytter, der kræver mindre mængder, og nå niveauer så lave som et enkelt monolag," siger Raúl Izquierdo, førsteforfatter af denne undersøgelse.

Ifølge Jorge Pedrós, ledende videnskabsmand i undersøgelsen, "En fordel ved denne mekanisme er, at SAW'er aktivt styres gennem en højfrekvent spænding, hvilket gør det nemt at skifte mellem en ON-konfiguration, hvor interaktionen øges, og en OFF-konfiguration, uden nogen forbedring af signalet. Dette måleskema øger sensoropløsningen."

"Ud over designet af sensoren og beregningerne af dens ydeevne tilbyder vi også en matematisk metode til at udtrække tilsyneladende skjulte kvantitative oplysninger, hvilket yderligere øger sensorens følsomhed," siger Izquierdo.

Til det er molekylerne af analytten og overfladeplasmon-phonon-polaritonerne modelleret som oscillatorer, der interagerer med hinanden, mens begge drives af en ekstern kraft (lys, der falder ind på sensoren). Trods sin enkelhed, er denne model vist at gengive resultaterne fra beregningerne pænt.

Som konklusion siger Pedrós:"Vi er overbeviste om, at denne undersøgelse vil bidrage til udviklingen af ​​nye laboratorie-på-chip-enheder, der kombinerer den kemiske fingeraftryksevne af denne nye SAW-drevne biosensor med andre akustiske funktioner såsom SAW-baseret masseregistrering eller dråbestreaming og blanding i mikrofluidiske kredsløb."

Denne historie er en del af Science X Dialog, hvor forskere kan rapportere resultater fra deres publicerede forskningsartikler. Besøg denne side for at få oplysninger om ScienceX Dialog og hvordan du deltager.

Flere oplysninger: Raúl Izquierdo-López et al., Overflade-akustisk-bølge-drevet grafen plasmonisk sensor til fingeraftryk af ultratynde biolag ned til monolaggrænsen, Biosensorer og bioelektronik (2023). DOI:10.1016/j.bios.2023.115498

Journaloplysninger: Biosensorer og bioelektronik

Jorge Pedrós - Lektor, Institut for Elektronikteknik &Institut for Optoelektroniske Systemer og Mikroteknologi, Universidad Politécnica de Madrid