Graphen-basiertes Gerät für ultraempfindliche Biosensoren

Hochempfindliche Biosensoren zur Sondierung von Proteinstrukturen könnten die Diagnosetiefe für eine Vielzahl von Krankheiten, die sich sowohl auf Menschen als auch auf Tiere erstrecken, erheblich verbessern. Dazu gehören die Alzheimer-Krankheit, die Chronic Wasting Disease und der Rinderwahnsinn – Störungen im Zusammenhang mit der Fehlfaltung von Proteinen. Solche Biosensoren könnten auch zu verbesserten Technologien für die Entwicklung neuer pharmazeutischer Verbindungen führen.

Graphen, ein Material, das aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, wurde vor mehr als einem Jahrzehnt entdeckt. Es hat Forscher mit seiner Reihe erstaunlicher Eigenschaften begeistert, die in vielen neuen Anwendungen Verwendung gefunden haben, einschließlich der Schaffung besserer Sensoren zur Erkennung von Krankheiten. Es wurden bedeutende Versuche unternommen, Biosensoren mit Graphen zu verbessern, aber die Herausforderung besteht in seiner bemerkenswerten Dicke von einem Atom. Dies bedeutet, dass es nicht effizient mit Licht interagiert, wenn es durchscheint. Die Absorption von Licht und die Umwandlung in lokale elektrische Felder ist für den Nachweis kleiner Mengen von Molekülen bei der Diagnose von Krankheiten unerlässlich. Frühere Forschungen mit ähnlichen Graphen-Nanostrukturen haben nur eine Lichtabsorptionsrate von weniger als 10 Prozent gezeigt.

Forscher haben Graphen mit nanogroßen Metallbändern aus Gold kombiniert. Mithilfe von Klebeband und einer Nanofabrikationstechnik namens „Template Stripping“ konnten sie eine ultraflache Basisschichtoberfläche für das Graphen erzeugen. Die Energie des Lichts wurde dann verwendet, um eine schwappende Bewegung von Elektronen im Graphen zu erzeugen, die Plasmonen genannt werden, die wie Kräuselungen oder Wellen sind, die sich durch ein Meer von Elektronen ausbreiten. In ähnlicher Weise können diese Wellen an Intensität zu riesigen Flutwellen lokaler elektrischer Felder aufbauen.

Indem Licht auf das Gerät mit einer einatomigen Graphenschicht gerichtet wurde, wurde eine Plasmonenwelle mit beispielloser Effizienz bei einer nahezu perfekten Lichtabsorption von 94 Prozent in Flutwellen des elektrischen Felds erzeugt. Als Proteinmoleküle zwischen die Graphen- und Metallbänder eingefügt wurden, wurde genügend Energie genutzt, um einzelne Schichten von Proteinmolekülen zu sehen.