Новое устройство на основе графена – первый шаг к сверхчувствительным биосенсорам

сверхчувствительный биосенсор на основе графена

Исследователи из Колледжа науки и техники Университета Миннесоты разработали уникальное новое устройство с использованием графена, которое обеспечивает первый шаг к созданию сверхчувствительных биосенсоров для выявления заболеваний на молекулярном уровне с почти идеальной эффективностью.

Сверхчувствительные биосенсоры для исследования белковых структур могут значительно улучшить глубину диагностики широкого спектра заболеваний, распространяющихся как на людей, так и на животных. К ним относятся болезнь Альцгеймера, болезнь хронического истощения и коровье бешенство – расстройства, связанные с неправильным складыванием белка. Такие биосенсоры могут также привести к улучшению технологий для разработки новых фармацевтических соединений.

Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology ( «Графеновый акустический плазмонный резонатор для сверхчувствительной инфракрасной спектроскопии» ).

сверхчувствительный биосенсор на основе графена

Исследователи из Университета Миннесоты объединили графен с наноразмерными металлическими золотыми лентами, чтобы создать сверхчувствительный биосенсор, который может помочь обнаружить различные заболевания у людей и животных. (Изображение: Oh Group, Университет Миннесоты)

«Чтобы выявлять и лечить многие заболевания, нам необходимо обнаруживать белковые молекулы в очень небольших количествах и понимать их структуру»,

– сказал Санг-Хён О, профессор электротехники и вычислительной техники Университета Миннесоты и ведущий исследователь исследования.

«В настоящее время существует много технических проблем с этим процессом. Мы надеемся, что наше устройство с использованием графена и уникального производственного процесса обеспечит фундаментальные исследования, которые помогут преодолеть эти проблемы ».

Графен , материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, был открыт более десяти лет назад. Он поразил исследователей целым рядом удивительных свойств, которые нашли применение во многих новых приложениях, включая создание более совершенных датчиков для выявления заболеваний.

Были предприняты значительные попытки улучшить биосенсоры с использованием графена, но проблема существует с его замечательной толщиной в один атом. Это означает, что он не взаимодействует эффективно со светом при прохождении через него. Поглощение света и преобразование в локальные электрические поля имеет важное значение для обнаружения небольших количеств молекул при диагностике заболеваний. Предыдущие исследования, в которых использовались подобные графеновые наноструктуры, показали только степень поглощения света менее 10 процентов.

В этом новом исследовании исследователи из Университета Миннесоты объединили графен с наноразмерными металлическими лентами из золота. Используя клейкую ленту и высокотехнологичную технику нанотехнологий, разработанную в Университете Миннесоты, называемую «зачистка шаблонов», исследователи смогли создать ультраплоскую поверхность базового слоя для графена.

Затем они использовали энергию света для генерации колеблющегося движения электронов в графене, называемых плазмонами, которые можно считать похожими на рябь или волны, распространяющиеся в «море» электронов. Точно так же эти волны могут нарастать по интенсивности до гигантских «приливных волн» локальных электрических полей, основанных на умном замысле исследователей.

Светя на устройство с графеновым слоем толщиной в один атом, они смогли создать плазмонную волну с беспрецедентной эффективностью при почти идеальном поглощении света на 94% в виде «приливных волн» электрического поля. Когда они вставили белковые молекулы между графеновой и металлической лентами, они смогли собрать достаточно энергии для просмотра отдельных слоев белковых молекул.

«Наше компьютерное моделирование показало, что этот новый подход будет работать, но мы все еще были немного удивлены, когда достигли 94-процентного поглощения света в реальных устройствах», – сказал О, который возглавляет кафедру электротехники им. Сэнфорда П. Бордо в Университете Миннесота. «Реализация идеала с помощью компьютерного моделирования имеет очень много проблем. Все должно быть таким качественным и атомарно плоским. Тот факт, что мы смогли получить такое хорошее согласие между теорией и экспериментом, был довольно удивительным и захватывающим ».

Источник: www.nanowerk.com