Grafenbaserade biosensorer kan inleda en era med flytande biopsi, upptäcka DNA -cancermarkörer som cirkulerar i patientens blod eller serum. Men nuvarande mönster behöver mycket DNA. I en ny studie, skrynklig grafen gör den mer än tiotusen gånger mer känslig för DNA genom att skapa elektriska "hot spots, "fann forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign.

Skrynklig grafen kan användas i ett brett spektrum av biosensingapplikationer för snabb diagnos, sa forskarna. De publicerade sina resultat i tidningen Naturkommunikation .

"Denna sensor kan upptäcka ultralåga koncentrationer av molekyler som är markörer för sjukdom, vilket är viktigt för tidig diagnos, "sa studieledaren Rashid Bashir, professor i bioingenjör och dekan för Grainger College of Engineering i Illinois. "Det är väldigt känsligt, det är billigt, det är lätt att använda, och det använder grafen på ett nytt sätt. "

Medan tanken på att leta efter avslöjande cancersekvenser i nukleinsyror, såsom DNA eller dess kusin RNA, är inte ny, detta är den första elektroniska sensorn som upptäcker mycket små mängder, som kan finnas i en patients serum, utan ytterligare bearbetning.

"När du har cancer, vissa sekvenser överuttrycks. Men snarare än att sekvensera någons DNA, som tar mycket tid och pengar, vi kan upptäcka de specifika segmenten som är cancerbiomarkörer i DNA och RNA som utsöndras från tumörerna i blodet, "sa Michael Hwang, den första författaren till studien och en postdoktoral forskare i Holonyak Micro and Nanotechnology Lab i Illinois.

Grafen - ett platt kol med en atom tjockt kol - är ett populärt, billigt material för elektroniska sensorer. Dock, nukleinsyrasensorer som utvecklats hittills kräver en process som kallas amplifiering-att isolera ett DNA- eller RNA-fragment och kopiera det många gånger i ett provrör. Denna process är lång och kan ge fel. Så Bashirs grupp bestämde sig för att öka grafens avkänningskraft till den grad att kunna testa ett prov utan att först förstärka DNA:t.

Många andra metoder för att öka grafens elektroniska egenskaper har involverat noggrant utformade nanoskala strukturer. I stället för att tillverka speciella strukturer, Illinois -gruppen sträckte helt enkelt ut ett tunt plastark, la grafen ovanpå den, släppte sedan spänningen i plasten, får grafen att krypa ihop och bilda en skrynklig yta.

De testade den skrynkliga grafenens förmåga att känna av DNA och ett cancerrelaterat mikroRNA i både en buffertlösning och i outspätt humant serum, och såg prestandan förbättras tiotusentals gånger jämfört med platt grafen.

"Detta är den högsta känsligheten som någonsin rapporterats för elektrisk detektion av en biomolekyl. Innan, vi skulle behöva tiotusentals molekyler i ett prov för att upptäcka det. Med den här enheten, vi kunde upptäcka en signal med bara några få molekyler, "Hwang sa." Jag förväntade mig att se en förbättring av känsligheten, men inte så här. "

För att avgöra orsaken till detta ökande avkänningskraft, professor i mekanisk vetenskap och teknik Narayana Aluru och hans forskargrupp använde detaljerade datasimuleringar för att studera den skrynkliga grafenens elektriska egenskaper och hur DNA fysiskt interagerade med sensorns yta.

De fann att hålrummen fungerade som elektriska hotspots, fungerar som en fälla för att locka och hålla i DNA- och RNA -molekylerna.

"När du skrynklar grafen och skapar dessa konkava regioner, DNA -molekylen passar in i kurvorna och hålrummen på ytan, så mer av molekylen interagerar med grafen och vi kan upptäcka det, "sade doktoranden Mohammad Heiranian, en av författarna till studien. "Men när du har en plan yta, andra joner i lösningen gillar ytan mer än DNA, så DNA interagerar inte mycket med grafen och vi kan inte upptäcka det. "

Dessutom, skrynkling av grafen skapade en belastning i materialet som förändrade dess elektriska egenskaper, framkalla en bandgap - en energibarriär som elektroner måste övervinna för att flöda genom materialet - som gjorde det mer känsligt för de elektriska laddningarna på DNA- och RNA -molekylerna.

"Denna bandgap -potential visar att skrynklig grafen också kan användas för andra applikationer, såsom nanokretsar, dioder eller flexibel elektronik, "sade Amir Taqieddin, en doktorand och medförfattare till uppsatsen.

Även om DNA användes i den första demonstrationen av skrynklig grafens känslighet för biologiska molekyler, den nya sensorn kan ställas in för att upptäcka en mängd olika biomarkörer. Bashirs grupp testar också skrynklig grafen i sensorer för proteiner och små molekyler.

"Så småningom skulle målet vara att bygga patroner för en handhållen enhet som skulle upptäcka målmolekyler i några droppar blod, till exempel, på det sätt som blodsockret övervakas, "Bashir sa." Visionen är att ha mätningar snabbt och i ett bärbart format. "