Graphen-basierter ultra-empfindlicher Biosensor verbessert Protein-Krankheitsdetektion

Ultra-empfindliche Biosonden zur Untersuchung von Proteinstrukturen könnten die Diagnosetiefe für eine Vielzahl von Krankheiten erheblich verbessern, die sich sowohl auf Menschen als auch auf Tiere erstrecken. Dazu gehören Alzheimer-Krankheit, Chronic Wasting Disease und Rinderwahnsinn – Störungen, die mit Proteinfehlfaltung zusammenhängen. Solche Biosonden könnten auch zu verbesserten Technologien für die Entwicklung neuer pharmazeutischer Verbindungen führen.

Graphen, ein Material aus einer einzelnen Schicht Kohlenstoffatome, wurde vor mehr als einem Jahrzehnt entdeckt. Es hat Forscher mit seiner Reihe erstaunlicher Eigenschaften fasziniert, die in vielen neuen Anwendungen Verwendung gefunden haben, einschließlich der Erstellung besserer Sensoren für die Krankheitsdetektion. Signifikante Versuche wurden unternommen, Biosonden mit Graphen zu verbessern, aber die Herausforderung besteht in seiner bemerkenswerten Einatom-Dicke. Das bedeutet, es interagiert nicht effizient mit Licht, wenn es hindurchgeleuchtet wird. Lichtabsorption und Umwandlung in lokale elektrische Felder ist essenziell für die Detektion kleiner Molekülmengen bei der Krankheitsdiagnose. Frühere Forschung, die ähnliche Graphen-Nanostrukturen nutzte, hat nur eine Lichtabsorptionsrate von weniger als 10 Prozent demonstriert.

Forscher haben Graphen mit nanoskaligen Metallbändern aus Gold kombiniert. Mit Klebeband und einer Nanofabrikationstechnik namens „Template Stripping“ konnten sie eine ultra-flache Basisschicht für das Graphen erstellen. Die Energie des Lichts wurde dann genutzt, um eine schlurfende Bewegung von Elektronen im Graphen zu erzeugen, sogenannte Plasmonen, die wie Rippeln oder Wellen sind, die sich durch ein Meer von Elektronen ausbreiten. Ähnlich können diese Wellen an Intensität aufbauen zu riesigen Gezeitenwellen lokaler elektrischer Felder.

Indem man Licht auf die einatomige Graphenschicht des Geräts strahlte, wurde eine Plasmonenwelle mit beispielloser Effizienz bei einer nahezu perfekten Lichtabsorption von 94 Prozent in Gezeitenwellen elektrischer Felder erzeugt. Als Proteinmoleküle zwischen Graphen und Metallbändern eingefügt wurden, wurde genug Energie genutzt, um einzelne Schichten von Proteinmolekülen zu betrachten.