Een laser gebruiken om patronen in een polymeervel te branden, KAUST-onderzoekers hebben grafeenelektroden gemaakt die fungeren als effectieve biosensoren.

Grafeen is een vel koolstof, slechts één atoom dik, dat is sterk, flexibel en zeer geleidend. Bepaalde moleculen kunnen een elektrische reactie veroorzaken wanneer ze interageren met grafeen, waardoor het potentieel bruikbaar is als een elektrochemische sensor. Een manier om de gevoeligheid te vergroten, is door een grote, toegankelijk oppervlak van grafeen door het te coaten in driedimensionale al poreuze materialen. Echter, dit vereist meestal dure fabricagetechnieken of omvat chemische bindmiddelen die de waarneming verstoren. Ondanks deze stappen, grafeenplaten aggregeren vaak, het verminderen van hun totale oppervlakte.

Hoogleraar Material Science and Engineering Husam Alshareef en collega's van de universiteit hebben een alternatieve benadering ontwikkeld met behulp van een techniek die laserschrijven wordt genoemd. Deze techniek verwarmt lokaal delen van een flexibel polyimidepolymeer tot 2500 graden Celsius of meer om verkoolde patronen van plekken op het oppervlak te vormen die als elektroden fungeren.

Deze zwarte vlekken zijn ongeveer 33 micrometer dik, en door hun zeer poreuze aard kunnen moleculen het materiaal doordringen. Binnen de pleisters, de grafeenvellen hebben blootgestelde randen die zeer effectief zijn in het uitwisselen van elektronen met andere moleculen. "Op grafeen gebaseerde elektroden met meer edge-plane-sites zijn effectief beter dan degenen die vertrouwen op koolstof- of koolstof-zuurstof-sites in het vlak van het materiaal, " zei de postdoc in Alshareef's groep Pranati Nayak, die de studie leidde.

De onderzoekers voegden platina-nanodeeltjeskatalysatoren toe aan een van de elektroden om de elektrochemische reacties met andere moleculen te versnellen. In experimenten met twee verschillende testmoleculen, deze elektrode kon honderden keren sneller elektronen uitwisselen dan andere op koolstof gebaseerde elektroden en vertoonde geen prestatieverlies gedurende 20 testcycli.

Het team gebruikte deze op grafeen gebaseerde elektrode om een ​​sensor te bouwen (zie afbeelding) voor drie biologisch belangrijke moleculen:ascorbinezuur, dopamine en urinezuur. Wanneer de moleculen het elektrodeoppervlak raken, ze geven elektronen af, het genereren van een stroom evenredig met hun concentratie. Cruciaal, de elektrochemische reactie van elk molecuul werd gezien bij een ander voltage, wat betekent dat het apparaat hun concentraties gelijktijdig en zonder interferentie kan meten.

De elektrode detecteerde nauwkeurig zeer kleine (micromolaire) concentraties van de moleculen, het verslaan van verschillende rivaliserende elektroden op zowel gevoeligheid als de ondergrens van detectie. De onderzoekers hopen nu sporen van andere atomen toe te voegen, zoals stikstof, aan grafeen om de detectieprestaties te verbeteren en om de elektroden te vergroten met aptameren, korte strengen DNA, RNA of peptiden die binden aan specifieke doelmoleculen, om nieuwe biosensoren te maken.