Ett team av forskare från Institutet för optoelektroniska system och mikroteknologi vid Universidad Politécnica de Madrid (UPM) har designat en biosensor som kan identifiera proteiner och peptider i så låga mängder som ett enda monolager. För det genereras en akustisk ytvåg (SAW), en sorts elektriskt kontrollerad nanojordbävning på ett chip, med en integrerad givare för att verka på en stapel av 2D-material belagda med de biomolekyler som ska detekteras.
Som de rapporterar i tidskriften Biosensors and Bioelectronics i en artikel med titeln "Surface-Acoustic-wave-driven graphene plasmonic sensor for fingerprinting ultratunna biolayers down to the monolayer limit," skulle SAW'n krusa ytan på en grafenbaserad stack på ett sådant sätt att den begränsar mittinfrarött ljus till mycket små volymer, vilket förbättrar ljus-materia-interaktioner på nanoskala.
Särskilt kvasipartiklar som är delvis ljus (fotoner) och delvis materia (elektroner och gittervibrationer), kallade ytplasmon-fonon-polaritoner, bildas vid den krusade stapeln och samspelar starkt med molekylerna ovanpå.
Organiska molekyler absorberar vissa våglängder av ljus i det mellaninfraröda området som är karakteristiska för deras kemiska sammansättning och struktur. Därför möjliggör denna uppsättning absorptionsresonanser, som kallas deras vibrationsfingeravtryck, identifiering av den organiska föreningen.
"Genom att stärka interaktionen mellan ljus och biomolekyler som deponeras ovanpå sensorn skulle vi kunna identifiera analyter som kräver mindre kvantiteter och nå nivåer så låga som ett enda monolager", säger Raúl Izquierdo, första författare till denna studie.
Enligt Jorge Pedrós, ledande forskare i studien, "En fördel med denna mekanism är att SAWs aktivt styrs genom en högfrekvent spänning, vilket gör det enkelt att växla mellan en ON-konfiguration, där interaktionen ökar, och en OFF-konfiguration, utan någon förbättring av signalen. Detta mätschema ökar sensorupplösningen."
"Förutom designen av sensorn och beräkningarna av dess prestanda tillhandahåller vi också en matematisk metod för att extrahera uppenbarligen dold kvantitativ information, vilket ytterligare ökar sensorns känslighet", säger Izquierdo.
För det modelleras analytens molekyler och ytplasmonfononpolaritonerna som oscillatorer som interagerar med varandra, medan båda drivs av en yttre kraft (ljus som faller in på sensorn). Trots sin enkelhet har denna modell visat sig reproducera resultaten från beräkningarna på ett bra sätt.
Avslutningsvis säger Pedrós:"Vi är övertygade om att denna studie kommer att bidra till utvecklingen av nya laboratorie-på-chip-enheter, som kombinerar den kemiska fingeravtrycksförmågan hos denna nya SAW-drivna biosensor med andra akustiska funktioner som SAW-baserad massavkänning eller droppströmning och blandning i mikrofluidiska kretsar."
Den här historien är en del av Science X Dialog, där forskare kan rapportera resultat från sina publicerade forskningsartiklar. Besök den här sidan för information om ScienceX Dialog och hur du deltar.
Mer information: Raúl Izquierdo-López et al, Yt-akustisk-vågdriven grafenplasmonisk sensor för fingeravtryck av ultratunna biolager ner till monolagergränsen, Biosensorer och bioelektronik (2023). DOI:10.1016/j.bios.2023.115498
Journalinformation: Biosensorer och bioelektronik
Jorge Pedrós - docent, Institutionen för elektronikteknik och institutet för optoelektroniska system och mikroteknologi, Universidad Politécnica de Madrid
