Onderzoekers van het University of Minnesota College of Science and Engineering hebben een uniek nieuw apparaat ontwikkeld met behulp van het wondermateriaal grafeen dat de eerste stap vormt naar ultragevoelige biosensoren om ziekten op moleculair niveau met bijna perfecte efficiëntie te detecteren.

Ultragevoelige biosensoren voor het onderzoeken van eiwitstructuren kunnen de diepte van de diagnose voor een breed scala aan ziekten die zich uitstrekken tot zowel mens als dier aanzienlijk verbeteren. Deze omvatten de ziekte van Alzheimer, chronische verspillende ziekte, en gekkekoeienziekte - aandoeningen die verband houden met het verkeerd vouwen van eiwitten. Dergelijke biosensoren kunnen ook leiden tot verbeterde technologieën voor de ontwikkeling van nieuwe farmaceutische verbindingen.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , een peer-reviewed wetenschappelijk tijdschrift gepubliceerd door Nature Publishing Group.

"Om veel ziekten op te sporen en te behandelen, moeten we eiwitmoleculen in zeer kleine hoeveelheden detecteren en hun structuur begrijpen, " zei Sang-Hyun Oh, Professor in elektrische en computertechnologie van de Universiteit van Minnesota en hoofdonderzoeker van het onderzoek. "Momenteel, er zijn veel technische uitdagingen met dat proces. We hopen dat ons apparaat dat grafeen gebruikt en een uniek productieproces het fundamentele onderzoek zal bieden dat kan helpen die uitdagingen te overwinnen."

grafeen, een materiaal gemaakt van een enkele laag koolstofatomen, werd meer dan tien jaar geleden ontdekt. Het heeft onderzoekers geboeid met zijn reeks verbazingwekkende eigenschappen die in veel nieuwe toepassingen zijn gebruikt, inclusief het maken van betere sensoren voor het opsporen van ziekten.

Er zijn aanzienlijke pogingen gedaan om biosensoren te verbeteren met behulp van grafeen, maar de uitdaging bestaat met zijn opmerkelijke enkele atoomdikte. Dit betekent dat het niet efficiënt in wisselwerking staat met licht wanneer het er doorheen schijnt. Lichtabsorptie en omzetting naar lokale elektrische velden is essentieel voor het detecteren van kleine hoeveelheden moleculen bij het diagnosticeren van ziekten. Eerder onderzoek met vergelijkbare grafeen-nanostructuren heeft slechts een lichtabsorptiesnelheid van minder dan 10 procent aangetoond.

In deze nieuwe studie Onderzoekers van de Universiteit van Minnesota combineerden grafeen met metalen linten van nanoformaat van goud. Met behulp van plakband en een hightech nanofabricagetechniek ontwikkeld aan de Universiteit van Minnesota, genaamd "sjabloon strippen, "Onderzoekers waren in staat om een ​​ultraplat basislaagoppervlak voor het grafeen te creëren.

Vervolgens gebruikten ze de energie van licht om een ​​klotsende beweging van elektronen in het grafeen te genereren, plasmonen genoemd, die kan worden beschouwd als rimpelingen of golven die zich door een "zee" van elektronen verspreiden. evenzo, deze golven kunnen in intensiteit worden opgebouwd tot gigantische "vloedgolven" van lokale elektrische velden op basis van het slimme ontwerp van de onderzoekers.

Door licht te laten schijnen op het grafeenlaagapparaat met één atoom dik, ze waren in staat om een ​​plasmongolf te creëren met ongekende efficiëntie met een bijna perfecte 94 procent lichtabsorptie in "vloedgolven" van elektrisch veld. Toen ze eiwitmoleculen tussen het grafeen en de metalen linten inbrachten, ze waren in staat om voldoende energie te benutten om enkele lagen eiwitmoleculen te bekijken.

"Onze computersimulaties toonden aan dat deze nieuwe aanpak zou werken, maar we waren nog steeds een beetje verrast toen we de 94 procent lichtabsorptie in echte apparaten bereikten, " zei o, die de Sanford P. Bordeau-leerstoel in Electrical Engineering aan de Universiteit van Minnesota bekleedt. "Het realiseren van een ideaal vanuit een computersimulatie brengt zoveel uitdagingen met zich mee. Alles moet zo hoogwaardig en atomair vlak zijn. Het feit dat we zo'n goede overeenstemming tussen theorie en experiment konden krijgen, was best verrassend en opwindend."