(Phys.org) – Ett av nanoteknikens största löften är att interagera med den biologiska världen på det sätt som våra egna celler gör, men nuvarande biosensorer måste skräddarsys för att upptäcka närvaron av en typ av protein, vars identitet måste vara känd i förväg.

Ingenjörer från University of Pennsylvania har nu tagit fram en ny typ av grafenbaserad biosensor som fungerar på tre sätt samtidigt. Eftersom proteiner utlöser tre olika typer av signaler, sensorn kan triangulera denna information för att ge mer känsliga och exakta resultat. Genom att dra fördel av den unika integrationen av flera fysiska avkänningslägen på samma chip, denna sensorenhet kan utöka avkänningsområdet för proteinkoncentrationen tusen gånger.

Detta utökade intervall kan vara särskilt användbart vid tidig diagnos av vissa cancerformer, där blodets biomarkörkoncentration varierar i storleksordningar från patient till patient. Möjligheten att göra flera detekteringar av samma biomarkör på samma chip har också potentialen att minska falska positiva och negativa i medicinska diagnostiska tester.

Så småningom, en sådan teknik skulle kunna användas i en biosensor för alla ändamål, som kan identifiera ett brett spektrum av proteiner genom sin massa, samt deras optiska och elektriska egenskaper.

En biosensor som inte behövde finjusteras för att bara upptäcka specifika proteiner skulle ha en mängd biomedicinska tillämpningar i diagnostiska enheter.

Studien, publiceras i tidskriften Nanobokstäver , dirigerades av Ertugrul Cubukcu, biträdande professor vid institutionerna för materialvetenskap och teknik och el- och systemteknik vid Penns School of Engineering and Applied Science, och medlemmar av hans labb, Alexander Y. Zhu, Fei Yi, Jason C. Reed och Hai Zhu.

"I en typisk singelmodsbiosensor har du två proteiner som interagerar starkt. Du fäster protein A till din sensor och, när protein B binder till det, sensorn omvandlar den bindningen till någon slags elektrisk signal, " Cubukcu sa, "Men det är en ganska dum sensor eftersom den bara kan berätta om den typen av bindning har inträffat.

"Men låt oss säga att du har proteiner A, B, C och D, alla med olika fysikaliska egenskaper, som laddning och massa. Om du hade en sensor som var känslig för flera av dessa egenskaper, du kan se skillnaden mellan dessa bindningshändelser utan att börja med motsvarande proteiner för dem alla."

Ju fler avkänningslägen som fungerar på en gång, desto bättre är en sensor på att skilja mellan liknande proteiner. Protein A och B kan ha samma massa men olika laddningar, medan protein B och C har samma laddningar men olika optiska egenskaper.

En multimodal sensor, dra in data från flera kategorier, kan begränsa identiteten för ett protein genom att jämföra dessa värden med en stor databas. En sådan förmåga skulle potentiellt kunna göra det möjligt att tillämpa den på prover där proteinets innehåll är okänt, en stor uppgradering av nuvarande teknik som i allmänhet involverar specialbyggda sensorer för att upptäcka förekomsten av fördefinierade uppsättningar proteiner.

Teamets sensorer består av en bas av kiselnitrid, belagd med ett lager grafen, ett enatomtjockt gitter av kolatomer. Att vara kolbaserad betyder att grafen är en attraktiv bindningsyta för proteiner, vilket innebär att enheten inte behöver "funktionaliseras" med proteiner som är benägna att interagera med de som sensorn syftar till att detektera.

Grafens extrema tunnhet och unika elektriska egenskaper möjliggör även det mekaniska, elektriska och optiska lägen för att fungera samtidigt utan att störa varandra.

"I det mekaniska läget, grafenet är som huden på en trumma, sa Alexander Zhu, studiens första författare, som då var en undergraduate som arbetade i Cubukcus labb. "När proteiner binder, den totala massan ändras och trummans resonans ändras som en funktion av den totala massan.

"I det elektriska läget, vi kan titta på hur elektroner färdas över grafenet. Konduktansen är en funktion av det totala antalet tillgängliga bärare inuti, så, om du har något som binder till grafenet, som ändrar antalet bärare och därför konduktansegenskaperna.

"Till sist, i optiskt läge, vi har en källa till synligt ljus och lyser det på sensorn och mäter reflektionen. När ingenting är bundet, det är att se bara luft, men, så snart proteiner binder, vi kan mäta förändringen i brytningsindex."

I deras studie, forskarna testade sin sensor med kända prover av proteiner för att visa att alla tre lägena kan fungera samtidigt.

"Vi har visat att ett prov ger alla tre skift, "Sa Yi, "i mässan, elektriska och optiska avläsningar."

Ytterligare arbete från Cubukcus grupp kommer att undersöka möjligheten att använda denna multimodala sensor för att identifiera proteiner från okända prover.