По словам исследователей, смятый графен может быть использован в широком спектре приложений для биочувствительности для быстрой диагностики. Они опубликовали свои результаты в журнале Nature Communications.
«Этот датчик может обнаруживать сверхнизкие концентрации молекул, которые являются маркерами заболевания, что важно для ранней диагностики», – сказал руководитель исследования Рашид Башир, профессор биоинженерии и декан инженерного колледжа Грейнджер в Иллинойсе. "Он очень чувствителен, дешев, прост в использовании и использует графен по-новому."
Хотя идея поиска характерных раковых последовательностей в нуклеиновых кислотах, таких как ДНК или ее двоюродная РНК, не нова, это первый электронный датчик, который обнаруживает очень небольшие количества, которые могут быть обнаружены в сыворотке крови пациента, без дополнительных обработка.
"Когда у вас рак, некоторые последовательности сверхэкспрессируются.
Но вместо того, чтобы секвенировать чью-то ДНК, что требует много времени и денег, мы можем обнаружить те конкретные сегменты, которые являются биомаркерами рака в ДНК и РНК, которые секретируются из опухолей в кровь ", – сказал Майкл Хван, первый автор книги. исследования и постдокторант в лаборатории микро- и нанотехнологий Холоньяка в Иллинойсе.
Графен – плоский лист углерода толщиной в один атом – популярный недорогой материал для электронных датчиков. Однако для сенсоров нуклеиновых кислот, разработанных до сих пор, требуется процесс, называемый амплификацией – выделение фрагмента ДНК или РНК и многократное копирование в пробирке. Этот процесс длительный и может привести к ошибкам.
Таким образом, группа Башира поставила перед собой задачу увеличить чувствительность графена до такой степени, чтобы можно было протестировать образец без предварительного усиления ДНК.
Многие другие подходы к усилению электронных свойств графена включают тщательно продуманные наноразмерные структуры. Вместо того, чтобы создавать специальные структуры, группа из Иллинойса просто растянула тонкий лист пластика, положила поверх него графен, а затем сняла напряжение в пластике, в результате чего графен сморщился и образовал смятую поверхность.
Они протестировали способность смятого графена воспринимать ДНК и связанную с раком микроРНК как в буферном растворе, так и в неразбавленной сыворотке человека, и увидели, что производительность улучшилась в десятки тысяч раз по сравнению с плоским графеном.
"Это самая высокая чувствительность для электрического обнаружения биомолекул, о которой когда-либо сообщалось. Раньше для его обнаружения нам требовались десятки тысяч молекул в образце. «С помощью этого устройства мы могли обнаруживать сигнал всего с несколькими молекулами», – сказал Хван. "Я ожидал увидеть улучшение чувствительности, но не так."
Чтобы определить причину такого повышения чувствительности, профессор механики и инженерии Нараяна Алуру и его исследовательская группа использовали детальное компьютерное моделирование для изучения электрических свойств смятого графена и того, как ДНК физически взаимодействует с поверхностью датчика.
Они обнаружили, что полости служили электрическими горячими точками, действуя как ловушка для привлечения и удержания молекул ДНК и РНК.
«Когда вы сминаете графен и создаете эти вогнутые области, молекула ДНК вписывается в изгибы и полости на поверхности, поэтому большая часть молекулы взаимодействует с графеном, и мы можем ее обнаружить», – сказал аспирант Мохаммад Хейранян, соавтор автор исследования. «Но когда у вас плоская поверхность, другие ионы в растворе больше похожи на поверхность, чем на ДНК, поэтому ДНК не сильно взаимодействует с графеном, и мы не можем его обнаружить."
Кроме того, смятие графена создало деформацию в материале, которая изменила его электрические свойства, вызвав запрещенную зону – энергетический барьер, который электроны должны преодолеть, чтобы пройти через материал, – что сделало его более чувствительным к электрическим зарядам на ДНК и Молекулы РНК.
«Этот потенциал запрещенной зоны показывает, что смятый графен может быть использован и для других приложений, таких как наносхемы, диоды или гибкая электроника», – сказал Амир Такиеддин, аспирант и соавтор статьи.
Несмотря на то, что ДНК использовалась в первой демонстрации чувствительности смятого графена к биологическим молекулам, новый датчик можно было настроить на обнаружение широкого спектра целевых биомаркеров.
Группа Башира тестирует смятый графен в сенсорах на белки и небольшие молекулы.
«В конечном итоге цель будет состоять в том, чтобы создать картриджи для портативного устройства, которое будет обнаруживать целевые молекулы в нескольких каплях крови, например, так, как отслеживается уровень сахара в крови», – сказал Башир. "Видение состоит в том, чтобы проводить измерения быстро и в портативном формате."