Att använda en laser för att bränna mönster till ett polymerark, KAUST-forskare har skapat grafenelektroder som fungerar som effektiva biosensorer.

Grafen är ett ark av kol, bara en atom tjock, det är starkt, flexibel och mycket ledande. Vissa molekyler kan utlösa ett elektriskt svar när de interagerar med grafen, vilket gör den potentiellt användbar som en elektrokemisk sensor. Ett sätt att öka dess känslighet är att skapa en stor, tillgänglig yta av grafen genom att belägga den inuti tredimensionella alporösa material. Dock, detta kräver vanligtvis dyra tillverkningstekniker eller involverar kemiska bindemedel som stör avkänningen. Trots dessa steg, grafenark samlas ofta, minskar deras totala yta.

Professor i materialvetenskap och teknik Husam Alshareef och kollegor vid universitetet har utvecklat ett alternativt tillvägagångssätt med en teknik som kallas laserritning. Denna teknik värmer lokalt delar av en flexibel polyimidpolymer till 2500 grader Celsius eller mer för att bilda karboniserade mönster av fläckar på ytan som fungerar som elektroder.

Dessa svarta fläckar är cirka 33 mikrometer tjocka, och deras mycket porösa natur tillåter molekyler att tränga igenom materialet. Inuti lapparna, grafenarken har exponerade kanter som är mycket effektiva för att utbyta elektroner med andra molekyler. "Grafenbaserade elektroder med fler kantplansställen är effektivt bättre än de som förlitar sig på kol- eller kolsyreställen i materialets plan, " sa postdoktorn i Alshareefs grupp Pranati Nayak, som ledde studien.

Forskarna lade till platinananopartikelkatalysatorer till en av elektroderna för att påskynda de elektrokemiska reaktionerna med andra molekyler. I experiment med två olika testmolekyler, denna elektrod kunde utbyta elektroner hundratals gånger snabbare än andra kolbaserade elektroder och visade ingen prestandaförlust under 20 testcykler.

Teamet använde denna grafenbaserade elektrod för att bygga en sensor (se bild) för tre biologiskt viktiga molekyler:askorbinsyra, dopamin och urinsyra. När molekylerna träffar elektrodytan, de släpper ut elektroner, genererar en ström som är proportionell mot deras koncentration. Avgörande, varje molekyls elektrokemiska respons sågs vid en annan spänning, vilket innebär att enheten kan mäta deras koncentrationer samtidigt och utan störningar.

Elektroden detekterade noggrant mycket små (mikromolära) koncentrationer av molekylerna, slå flera rivaliserande elektroder på både känslighet och de nedre gränserna för detektion. Forskarna hoppas nu kunna lägga till spår av andra atomer, som kväve, till grafen för att förbättra dess avkänningsprestanda och för att utöka elektroderna med aptamerer, korta DNA-strängar, RNA eller peptider som binder till specifika målmolekyler, att skapa nya biosensorer.