Forskare vid University of Minnesota College of Science and Engineering har utvecklat en unik ny enhet med hjälp av undermaterialet grafen som ger det första steget mot ultrakänsliga biosensorer för att upptäcka sjukdomar på molekylär nivå med nästan perfekt effektivitet.

Ultrakänsliga biosensorer för att undersöka proteinstrukturer kan avsevärt förbättra djupet av diagnosen för en mängd olika sjukdomar som sträcker sig till både människor och djur. Dessa inkluderar Alzheimers sjukdom, Kronisk slöseri, och galna ko-sjukdomar relaterade till proteinfelveckning. Sådana biosensorer kan också leda till förbättrad teknik för att utveckla nya farmaceutiska föreningar.

Forskningen är publicerad i Naturens nanoteknik , en peer-reviewed vetenskaplig tidskrift publicerad av Nature Publishing Group.

"För att upptäcka och behandla många sjukdomar måste vi upptäcka proteinmolekyler i mycket små mängder och förstå deras struktur, " sa Sang-Hyun Oh, University of Minnesota professor i el- och datateknik och ledande forskare i studien. "För närvarande, det finns många tekniska utmaningar med den processen. Vi hoppas att vår enhet som använder grafen och en unik tillverkningsprocess kommer att tillhandahålla den grundläggande forskningen som kan hjälpa till att övervinna dessa utmaningar."

grafen, ett material tillverkat av ett enda lager av kolatomer, upptäcktes för mer än ett decennium sedan. Det har trollbundit forskare med sitt utbud av fantastiska egenskaper som har funnit användning i många nya tillämpningar, inklusive att skapa bättre sensorer för att upptäcka sjukdomar.

Betydande försök har gjorts för att förbättra biosensorer med grafen, men utmaningen finns med dess anmärkningsvärda enatomtjocklek. Detta innebär att den inte interagerar effektivt med ljus när den lyser igenom den. Ljusabsorption och omvandling till lokala elektriska fält är avgörande för att upptäcka små mängder molekyler vid diagnostisering av sjukdomar. Tidigare forskning med liknande grafennanostrukturer har bara visat en ljusabsorptionshastighet på mindre än 10 procent.

I denna nya studie, Forskare från University of Minnesota kombinerade grafen med metallband av guld i nanostorlek. Med hjälp av tejp och en högteknologisk nanotillverkningsteknik utvecklad vid University of Minnesota, kallas "mallstrippning, "Forskare kunde skapa en ultraplatt basskiktsyta för grafenet.

De använde sedan ljusets energi för att generera en skvalpande rörelse av elektroner i grafenet, kallas plasmoner, som kan tänkas vara som krusningar eller vågor som sprider sig genom ett "hav" av elektroner. Liknande, dessa vågor kan byggas in i intensitet till gigantiska "tidvattenvågor" av lokala elektriska fält baserat på forskarnas smarta design.

Genom att skina ljus på enheten med en atomtjock grafenlager, de kunde skapa en plasmonvåg med oöverträffad effektivitet med en nästan perfekt 94 procent ljusabsorption till "tidvattenvågor" av elektriskt fält. När de infogade proteinmolekyler mellan grafen- och metallbanden, de kunde utnyttja tillräckligt med energi för att se enstaka lager av proteinmolekyler.

"Våra datorsimuleringar visade att detta nya tillvägagångssätt skulle fungera, men vi blev ändå lite förvånade när vi uppnådde 94 procent ljusabsorption i riktiga enheter, " sade Åh, som innehar Sanford P. Bordeau-stolen i elektroteknik vid University of Minnesota. "Att förverkliga ett ideal från en datorsimulering har så många utmaningar. Allt måste vara så högkvalitativt och atomärt platt. Det faktum att vi kunde få så bra överensstämmelse mellan teori och experiment var ganska överraskande och spännande."