近日消息，明尼蘇達(dá)大學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員使用奇跡材料石墨烯開發(fā)了一種獨(dú)特的新設(shè)備，該設(shè)備向超靈敏生物傳感器邁出了第一步，可以實(shí)現(xiàn)在分子水平上以近乎完美的效率診斷疾病。
用于探測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的超靈敏生物傳感器可以極大地提高對人類和動物的各種疾病的診斷深度。這些包括阿爾茨海默病，慢性消耗性疾病和與蛋白質(zhì)錯誤折疊相關(guān)的瘋牛病。這些生物傳感器還可以改進(jìn)開發(fā)新藥物化合物的技術(shù)。研究成果發(fā)表在了近期的 《Nature Nanotechnology》上。
“為了診斷和治療許多疾病，我們需要檢測非常少量的蛋白質(zhì)分子，并了解它們的結(jié)構(gòu)，”明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程教授兼該研究的首席研究員Sang-Hyun Oh說。“目前，該過程存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)。我們希望基于石墨烯的設(shè)備和獨(dú)特的制造工藝將提供有助于克服這些挑戰(zhàn)。”
石墨烯是一種由單層碳原子組成的材料，十多年前就被人們發(fā)現(xiàn)了。它獨(dú)特的性質(zhì)吸引了眾多研究人員，他們發(fā)現(xiàn)了許多新應(yīng)用，包括創(chuàng)造更好的疾病診斷傳感器。
科研工作者們已經(jīng)對使用石墨烯改進(jìn)生物傳感器進(jìn)行了重大嘗試，但是其顯著的單原子厚度使得這個過程充滿挑戰(zhàn)，因?yàn)樗诠庹諘r不會與光有效地相互作用。在診斷疾病時，光吸收和向局部電場的轉(zhuǎn)換對于檢測少量分子是必不可少的。以前使用類似石墨烯納米結(jié)構(gòu)的研究證明光吸收率僅僅小于10％。
在這項(xiàng)新研究中，明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員將石墨烯與納米金屬金屬帶結(jié)合起來。使用膠帶和明尼蘇達(dá)大學(xué)開發(fā)的高科技納米加工技術(shù)，稱為“模板剝離”，研究人員能夠?yàn)槭﹦?chuàng)建一個超平的基層表面。
然后，他們利用光的能量在石墨烯中產(chǎn)生一種被稱為等離子體的電子晃動，這種運(yùn)動可以被認(rèn)為就像波紋或波在“海”中傳播的電子。同樣，基于研究人員的巧妙設(shè)計(jì)，這些波可以在強(qiáng)度上形成局部電場的巨大“潮汐波”。
通過在單原子厚的石墨烯層器件上發(fā)光，他們能夠以近乎完美的94％光吸收進(jìn)入電場的“潮汐波”，產(chǎn)生具有前所未有效率的等離子體波。當(dāng)他們在石墨烯和金屬帶之間插入蛋白質(zhì)分子時，他們能夠利用足夠的能量來觀察單層蛋白質(zhì)分子。
“我們的計(jì)算機(jī)模擬顯示這種新穎的方法可行，但當(dāng)我們在真實(shí)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)94％的光吸收時，我們?nèi)匀桓械接行@訝，”O(jiān)h說，他是Sanford P. Bordeau大學(xué)電氣工程系主任。明尼蘇達(dá)州。“從計(jì)算機(jī)模擬中實(shí)現(xiàn)理想有很多挑戰(zhàn)。所有東西都必須是如此高質(zhì)量和原子級平坦。事實(shí)上，我們可以在理論和實(shí)驗(yàn)之間取得如此良好的一致，這是非常令人驚訝和激動的。
