(Phys.org) - Een van de grootste beloften van nanotechnologie is interactie met de biologische wereld zoals onze eigen cellen dat doen, maar de huidige biosensoren moeten op maat worden gemaakt om de aanwezigheid van één type eiwit te detecteren, waarvan de identiteit vooraf bekend moet zijn.

Ingenieurs van de University of Pennsylvania hebben nu een nieuw soort op grafeen gebaseerde biosensor bedacht die op drie manieren tegelijk werkt. Omdat eiwitten drie verschillende soorten signalen triggeren, de sensor kan deze informatie trianguleren om gevoeligere en nauwkeurigere resultaten te produceren. Door gebruik te maken van de unieke integratie van meerdere fysieke detectiemodi op dezelfde chip, dit sensorapparaat kan het detectiebereik van de eiwitconcentratie duizendvoudig vergroten.

Dit uitgebreide bereik zou bijzonder nuttig kunnen zijn bij de vroege diagnose van bepaalde vormen van kanker, waar de concentratie van de bloedbiomarker varieert in grootteorde van patiënt tot patiënt. De mogelijkheid om meerdere detecties van dezelfde biomarker op dezelfde chip uit te voeren, heeft ook het potentieel om valse positieven en negatieven in medische diagnostische tests te verminderen.

Eventueel, een dergelijke techniek zou kunnen worden gebruikt in een biosensor voor alle doeleinden, die een breed scala aan eiwitten kunnen identificeren door hun massa, evenals hun optische en elektrische eigenschappen.

Een biosensor die niet verfijnd hoefde te worden om alleen specifieke eiwitten te detecteren, zou een groot aantal biomedische toepassingen hebben in diagnostische apparaten.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , werd uitgevoerd door Ertugrul Cubukcu, universitair docent bij de afdelingen Materials Science and Engineering en Electrical and Systems Engineering in Penn's School of Engineering and Applied Science, en leden van zijn lab, Alexander Y. Zhu, Fei Yi, Jason C. Reed en Hai Zhu.

"In een typische biosensor met enkele modus heb je twee eiwitten die sterk op elkaar inwerken. Je bevestigt eiwit A aan je sensor en, wanneer proteïne B eraan bindt, de sensor zet die binding om in een soort elektrisch signaal, "Cubukcu zei, " Maar het is een beetje een domme sensor omdat het je alleen kan vertellen of dat soort binding heeft plaatsgevonden.

"Maar laten we zeggen dat je proteïne A hebt, B, C en D, allemaal met verschillende fysieke eigenschappen, zoals lading en massa. Als je een sensor had die gevoelig was voor meerdere van die eigenschappen, je kon het verschil zien tussen die bindingsgebeurtenissen zonder te beginnen met overeenkomstige eiwitten voor allemaal."

Hoe meer detectiemodi tegelijk werken, hoe beter een sensor onderscheid kan maken tussen gelijkaardige eiwitten. Eiwitten A en B kunnen dezelfde massa hebben maar verschillende ladingen, terwijl eiwitten B en C dezelfde ladingen hebben maar verschillende optische eigenschappen.

Een multimodale sensor, gegevens uit meerdere categorieën ophalen, zou de identiteit van een eiwit kunnen verkleinen door die waarden te vergelijken met een grote database. Een dergelijk vermogen zou het mogelijk kunnen maken om het toe te passen op monsters waarvan de inhoud van het eiwit onbekend is, een belangrijke upgrade van de huidige technologie, waarbij meestal op maat gemaakte sensoren worden gebruikt om de aanwezigheid van vooraf gedefinieerde sets eiwitten te detecteren.

De sensoren van het team bestaan ​​uit een basis van siliciumnitride, bedekt met een laag grafeen, een enkel atoom dik rooster van koolstofatomen. Omdat het op koolstof is gebaseerd, is grafeen een aantrekkelijk bindingsoppervlak voor eiwitten, wat betekent dat het apparaat niet hoeft te worden "gefunctionaliseerd" met eiwitten die geneigd zijn om te interageren met degene die de sensor wil detecteren.

De extreme dunheid en unieke elektrische eigenschappen van grafeen zorgen ook voor de mechanische, elektrische en optische modi om gelijktijdig te werken zonder elkaar te storen.

"In de mechanische modus, het grafeen is als de huid van een trommel, " zei Alexander Zhu, de eerste auteur van de studie, die toen een student was die in het laboratorium van Cubukcu werkte. "Als eiwitten binden, de totale massa verandert en de resonantie van de trommel verandert als functie van de totale massa.

"In de elektrische modus, we kunnen kijken hoe elektronen door het grafeen reizen. De conductantie is een functie van de totale beschikbare dragers binnenin, dus, als je iets bindt aan het grafeen, dat verandert het aantal dragers en dus de geleidingseigenschappen.

"Eindelijk, in de optische modus, we hebben een bron van zichtbaar licht en schijnen dat op de sensor en meten de reflectie. Wanneer niets gebonden is, het is alleen maar lucht zien, maar, zodra eiwitten binden, we kunnen de verandering in de brekingsindex meten."

In hun studie hebben de onderzoekers testten hun sensor met bekende eiwitmonsters om aan te tonen dat alle drie de modi tegelijk kunnen werken.

"We hebben aangetoond dat één monster alle drie de diensten levert, "Yi zei, "in de massa, elektrische en optische uitlezingen."

Verder werk van Cubukcu's groep zal de haalbaarheid onderzoeken van het gebruik van deze multimodale sensor om eiwitten uit onbekende monsters te identificeren.