Op grafeen gebaseerde biosensoren kunnen een tijdperk van vloeibare biopsie inluiden, het detecteren van DNA-kankermarkers die circuleren in het bloed of serum van een patiënt. Maar de huidige ontwerpen hebben veel DNA nodig. In een nieuwe studie, verfrommeld grafeen maakt het meer dan tienduizend keer gevoeliger voor DNA door elektrische "hotspots, ’ ontdekten onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.

Verfrommeld grafeen kan worden gebruikt in een breed scala aan biosensing-toepassingen voor snelle diagnose, aldus de onderzoekers. Ze publiceerden hun resultaten in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Deze sensor kan ultralage concentraties van moleculen detecteren die ziektemarkers zijn, wat belangrijk is voor een vroege diagnose, " zei studieleider Rashid Bashir, een professor in bio-engineering en decaan van het Grainger College of Engineering in Illinois. "Het is heel gevoelig, het is goedkoop, het is gemakkelijk te gebruiken, en het gebruikt grafeen op een nieuwe manier."

Terwijl het idee om te zoeken naar veelbetekenende kankersequenties in nucleïnezuren, zoals DNA of zijn neef RNA, is niet nieuw, dit is de eerste elektronische sensor die zeer kleine hoeveelheden detecteert, zoals gevonden kan worden in het serum van een patiënt, zonder extra bewerking.

"Als je kanker hebt, bepaalde sequenties worden tot overexpressie gebracht. Maar in plaats van iemands DNA te sequensen, wat veel tijd en geld kost, we kunnen die specifieke segmenten detecteren die kankerbiomarkers zijn in DNA en RNA die door de tumoren in het bloed worden uitgescheiden, " zei Michael Hwang, de eerste auteur van de studie en een postdoctoraal onderzoeker in het Holonyak Micro and Nanotechnology Lab in Illinois.

Grafeen - een vlakke plaat koolstof van één atoom dik - is een populaire, goedkoop materiaal voor elektronische sensoren. Echter, nucleïnezuursensoren die tot nu toe zijn ontwikkeld, vereisen een proces dat amplificatie wordt genoemd:het isoleren van een DNA- of RNA-fragment en het vele malen kopiëren in een reageerbuis. Dit proces is lang en kan fouten introduceren. Dus de groep van Bashir wilde de waarnemingskracht van grafeen vergroten tot het punt dat ze een monster konden testen zonder eerst het DNA te versterken.

Bij veel andere benaderingen om de elektronische eigenschappen van grafeen te versterken, zijn zorgvuldig vervaardigde structuren op nanoschaal betrokken. In plaats van speciale constructies te fabriceren, de Illinois-groep strekte gewoon een dun stuk plastic uit, legde er het grafeen op, dan liet de spanning in het plastic los, waardoor het grafeen gaat samentrekken en een verfrommeld oppervlak vormt.

Ze testten het vermogen van het verfrommelde grafeen om DNA en een kankergerelateerd microRNA te detecteren in zowel een bufferoplossing als in onverdund menselijk serum, en zag de prestaties tienduizenden keren verbeteren ten opzichte van plat grafeen.

"Dit is de hoogste gevoeligheid die ooit is gerapporteerd voor elektrische detectie van een biomolecuul. we zouden tienduizenden moleculen in een monster nodig hebben om het te detecteren. Met dit apparaat, we konden een signaal detecteren met slechts een paar moleculen, zei Hwang. "Ik verwachtte enige verbetering in gevoeligheid te zien, maar niet zo."

Om de reden voor deze toename van het waarnemingsvermogen te bepalen, Narayana Aluru, professor in de mechanische wetenschappen en techniek, en zijn onderzoeksgroep gebruikten gedetailleerde computersimulaties om de elektrische eigenschappen van het verfrommelde grafeen te bestuderen en hoe DNA fysiek interageerde met het oppervlak van de sensor.

Ze ontdekten dat de holtes dienden als elektrische hotspots, fungeren als een val om de DNA- en RNA-moleculen aan te trekken en vast te houden.

"Als je grafeen verfrommelt en deze concave gebieden creëert, het DNA-molecuul past in de rondingen en holtes op het oppervlak, dus meer van het molecuul interageert met het grafeen en we kunnen het detecteren, " zei afgestudeerde student Mohammad Heiranian, een co-eerste auteur van de studie. "Maar als je een plat oppervlak hebt, andere ionen in de oplossing, zoals het oppervlak meer dan het DNA, dus het DNA heeft niet veel interactie met het grafeen en we kunnen het niet detecteren."

In aanvulling, het verfrommelen van het grafeen veroorzaakte een spanning in het materiaal die de elektrische eigenschappen veranderde, het induceren van een bandgap - een energiebarrière die elektronen moeten overwinnen om door het materiaal te stromen - waardoor het gevoeliger werd voor de elektrische ladingen op de DNA- en RNA-moleculen.

"Dit bandgap-potentieel laat zien dat verfrommeld grafeen ook voor andere toepassingen kan worden gebruikt, zoals nanocircuits, diodes of flexibele elektronica, " zei Amir Taqieddin, een afgestudeerde student en co-auteur van het papier.

Hoewel DNA werd gebruikt bij de eerste demonstratie van de gevoeligheid van verfrommeld grafeen voor biologische moleculen, de nieuwe sensor zou kunnen worden afgestemd om een ​​breed scala aan doelbiomarkers te detecteren. De groep van Bashir test verfrommeld grafeen ook in sensoren voor eiwitten en kleine moleculen.

"Uiteindelijk zou het doel zijn om cartridges te bouwen voor een handheld-apparaat dat doelmoleculen zou detecteren in een paar druppels bloed, bijvoorbeeld, op de manier waarop de bloedsuikerspiegel wordt gecontroleerd, "Zei Bashir. "De visie is om snel en in een draagbaar formaat metingen te hebben."