Grafene-gebaseerde ultrasensitieve biosensor verbetert proteïne ziekte detectie

Ultrasensitieve biosensoren voor het onderzoeken van proteïnestructuren kunnen de diepte van diagnostiek voor een breed scala aan ziekten aanzienlijk verbeteren, uitgestrekt tot zowel mensen als dieren. Deze omvatten Alzheimer-ziekte, Chronic Wasting Disease, en de ziekte van de dolle koe — stoornissen gerelateerd aan proteïenvouwing. Zulke biosensoren kunnen ook leiden tot verbeterde technologieën voor het ontwikkelen van nieuwe farmaceutische componenten.

Grafene, een materiaal gemaakt van een enkele laag koolstofatomen, is meer dan een decennium geleden ontdekt. Het heeft onderzoekers in zijn macht gehad met zijn reeks verbluffende eigenschappen die gebruik gevonden hebben in veel nieuwe toepassingen, inclusief het creëren van betere sensoren voor ziekte detectie. Significante pogingen zijn gedaan om biosensoren met grafene te verbeteren, maar de uitdaging bestaat met zijn opmerkelijke één-atoom dikte. Dit betekent dat het niet efficiënt interacteert met licht wanneer erdoorheen geschenen wordt. Lichtabsorptie en omzetting naar lokale elektrische velden is essentieel voor het detecteren van kleine hoeveelheden moleculen bij het diagnosticeren van ziekten. Eerder onderzoek dat vergelijkbare grafene nano-structuren gebruikte heeft slechts een lichtabsorptiesnelheid van minder dan 10 procent gedemonstreerd.

Onderzoekers hebben grafene gecombineerd met nano-gemetalen stroken van goud. Met behulp van plakband en een nanofabrictietechniek genaamd "template stripping," waren ze in staat een ultra-vlakke basislaag oppervlakte voor de grafene te creëren. De energie van licht werd toen gebruikt om een slingerende beweging van elektronen in de grafene te genereren, plasmons genoemd, die zijn als rimpels of golven die zich uitbreiden door een zee van elektronen. Op dezelfde manier kunnen deze golven in intensiteit opbouwen tot reuzengolven van lokale elektrische velden.

Door licht te schijnen op het één-atoom-dikke grafene-laag apparaat, werd een plasmon-golf gecreëerd met ongekende efficiëntie bij een nabij-perfecte 94 procent lichtabsorptie in reuzengolven van elektrisch veld. Toen proteïne moleculen tussen de grafene en metaalstroken geïnsereerd werden, werd genoeg energie benut om enkele lagen proteïne moleculen te bekijken.