Написано AZoNano ] 8 марта 2019 года

Используя чудо-материал графен, ученые из Научно-технического колледжа Университета Миннесоты создали инновационное устройство, которое закладывает основу для разработки сверхчувствительных биосенсоров для выявления множества заболеваний на молекулярном уровне, с почти беспрецедентная эффективность.

Использование сверхчувствительных биосенсоров для изучения структур белков может значительно увеличить глубину диагностики многих типов заболеваний, распространяющихся как на животных, так и на людей. Эти расстройства включают болезнь коровьего бешенства, болезнь хронического истощения и болезнь Альцгеймера, все они связаны с неправильным складыванием белка. Такие виды биосенсоров могут также уступить место лучшим технологиям для производства новых фармацевтических соединений.

Исследование было опубликовано в рецензируемом научном журнале Nature Nanotechnology опубликованном Nature Publishing Group.

Для выявления и лечения многих заболеваний нам необходимо обнаруживать белковые молекулы в очень небольших количествах и понимать их структуру. В настоящее время существует много технических проблем с этим процессом. Мы надеемся, что наше устройство с использованием графена и уникального производственного процесса обеспечит фундаментальные исследования, которые могут помочь преодолеть эти проблемы .

Санг-Хюн О, ведущий научный сотрудник и профессор кафедры электротехники и вычислительной техники, Университет Миннесоты.

Графен – это уникальный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода. Обнаруженный более 10 лет назад, материал поразил ученых своим невероятным набором свойств, которые нашли применение в самых разных инновационных приложениях, включая разработку улучшенных датчиков для обнаружения различных заболеваний.

Несмотря на то, что были предприняты значительные усилия для улучшения биосенсоров с помощью графена, проблема продолжает существовать из-за уникальной толщины одного атома материала. Это означает, что когда свет проходит через графен, последний плохо взаимодействует с первым. Во время диагностики заболеваний поглощение и преобразование света в локальные электрические поля важно для обнаружения следовых количеств молекул. Более ранние исследования с использованием аналогичных графеновых наноструктур показали только скорость поглощения света менее 10%.

В последнем исследовании ученые из Университета Миннесоты интегрировали наноразмерные металлические ленты золота с графеном. С помощью клейкой ленты, а также высокотехнологичного метода нанообработки, разработанного в Университете Миннесоты, известного как «удаление шаблона», команда успешно создала чрезвычайно плоскую поверхность базового слоя для графена.

Впоследствии исследователи применили световую энергию для создания колебательного движения электронов в графене, называемых плазмонами, которые можно считать подобными волнам или ряби, рассеивающимся в «море» электронов. Подобным образом, такие волны могут возрастать по интенсивности до огромных «приливных волн» локальных электрических полей на основе изобретательного замысла команды.

Когда исследователи пролили свет на устройство с графеновым слоем толщиной в один атом, они успешно создали плазмонную волну с почти идеальной эффективностью поглощения света 94% в «приливные волны» электрического поля. Кроме того, вставка белковых молекул между металлическими лентами и графеном позволила исследователям использовать достаточное количество энергии для визуализации монослоев белковых молекул.

« Наше компьютерное моделирование показало, что этот новый подход будет работать, но мы все еще были немного удивлены, когда достигли 94-процентного поглощения света в реальных устройствах », – заявил О, который владеет компанией Sanford P. Бордо Кафедра электротехники в Университете Миннесоты. « Реализация идеала с помощью компьютерного моделирования имеет очень много проблем. Все должно быть таким качественным и атомарно плоским. Тот факт, что мы смогли получить такое хорошее согласие между теорией и экспериментом, был довольно удивительным и захватывающим . »

Помимо Oh, в исследовательскую группу вошли постдокторские исследователи в области электротехники и компьютерной инженерии Университета Миннесоты Ин-Хо Ли (ведущий автор) и профессор Daehan Yoo Тони Лоу, а также заслуженный научный сотрудник IBM д-р Phaedon Avouris.

Исследование в основном финансировалось Национальным научным фондом. Дополнительная поддержка была оказана Институтом математики и его приложений (IMA) в Университете Миннесоты. Устройство было разработано в наноцентре Миннесоты в Университете Миннесоты, а измерения с помощью электронной микроскопии проводились в Центре определения характеристик Университета Миннесоты.