Химики разработали биосенсор на основе графена, открывая путь к передовой диагностике
Двумерные материалы, такие как графен, не только ультратонкие, но и чрезвычайно чувствительные. Исследователи из Университета Фридриха Шиллера в Йене (Германия) разработали метод, позволяющий преодолеть ключевое препятствие на пути создания практичных графеновых биосенсоров. Результаты опубликованы в журнале Advanced Materials.
Проблема гиперчувствительности
Графеновые полевые транзисторы могли бы регистрировать мельчайшие изменения электронных свойств при взаимодействии молекул с этим атомарно тонким слоем. Однако прямая функционализация графена (нанесение на его поверхность захватывающих молекул для обнаружения конкретных биомаркеров) необратимо меняет его электронную структуру, лишая материал уникальных свойств, которые и должны были обеспечить высокую чувствительность сенсора.
Решение: молекулярная промежуточная прослойка
Учёные применили на графен молекулярную углеродную мембрану толщиной всего 1 нм. Этот промежуточный слой является диэлектриком (не проводит электричество). Оба компонента связаны ван-дер-ваальсовыми силами, образуя гетероструктуру.
"Мы смогли функционализировать эту структуру, не затрагивая электронные свойства графена", — объясняет профессор Андрей Турчанин.
На молекулярный промежуточный слой можно нанести химически активные функциональные группы, к которым затем присоединяются любые захватывающие молекулы (аптамеры). При связывании с целевым биомаркером они передают электрическое поле на графен, изменяя его электрические сигналы, но не влияя на фундаментальные свойства материала.
Обнаружение в реальных образцах
Для экспериментов использовались образцы из назальных мазков реальных пациентов (предоставлены лабораторией в Нидерландах). Сенсор, дополнительно покрытый белкоотталкивающим слоем полиэтиленгликоля, успешно обнаружил хемокины — группу белков, играющих важную роль в иммунной системе и выступающих в качестве биомаркеров.
"Разработанные нами графеновые сенсоры можно использовать для поиска не одного, а сотен биомаркеров", — добавляет первый автор публикации доктор Дэвид Кайзер.
Преимущества технологии
По словам исследователей, этот подход устраняет главное препятствие на пути к созданию графенового биосенсора, который превосходит существующие клинические аналоги:
Высокая чувствительность
Скорость — результат за ~5 минут
Экономичность при массовом производстве
Электрический принцип измерения — обнаружение фиксируется по изменению электрического тока, что позволяет легко интегрировать сенсор в портативные устройства для диагностики у постели больного (point-of-care).