(Phys.org)—Una delle più grandi promesse della nanotecnologia è interagire con il mondo biologico come fanno le nostre cellule, ma gli attuali biosensori devono essere fatti su misura per rilevare la presenza di un tipo di proteina, la cui identità deve essere conosciuta in anticipo.

Gli ingegneri dell'Università della Pennsylvania hanno ora ideato un nuovo tipo di biosensore a base di grafene che funziona in tre modi contemporaneamente. Poiché le proteine ​​attivano tre diversi tipi di segnali, il sensore può triangolare queste informazioni per produrre risultati più sensibili e accurati. Sfruttando l'integrazione unica di più modalità di rilevamento fisico sullo stesso chip, questo dispositivo sensore può estendere l'intervallo di rilevamento della concentrazione proteica di mille volte.

Questa gamma estesa potrebbe essere particolarmente utile nella diagnosi precoce di alcuni tumori, dove la concentrazione di biomarcatori nel sangue varia di ordini di grandezza da paziente a paziente. La capacità di effettuare rilevamenti multipli dello stesso biomarcatore sullo stesso chip ha anche il potenziale per ridurre i falsi positivi e negativi nei test diagnostici medici.

Infine, tale tecnica potrebbe essere utilizzata in un biosensore universale, che potrebbero identificare una vasta gamma di proteine ​​attraverso la loro massa, così come le loro proprietà ottiche ed elettriche.

Un biosensore che non dovesse essere messo a punto per rilevare solo proteine ​​specifiche avrebbe una miriade di applicazioni biomediche nei dispositivi diagnostici.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Nano lettere , è stato condotto da Ertugrul Cubukcu, assistente professore nei dipartimenti di Scienza e ingegneria dei materiali e Ingegneria elettrica e dei sistemi della Penn's School of Engineering and Applied Science, e membri del suo laboratorio, Alessandro Y. Zhu, Fei Yi, Jason C. Reed e Hai Zhu.

"In un tipico biosensore a modalità singola hai due proteine ​​che interagiscono fortemente. Attacchi la proteina A al tuo sensore e, quando la proteina B si lega ad essa, il sensore trasduce quel legame in una sorta di segnale elettrico, "Cubukcu ha detto, "Ma è una specie di sensore stupido in quanto può solo dirti se si è verificato quel tipo di legame.

"Ma diciamo che hai le proteine ​​A, B, C e D, tutti con proprietà fisiche diverse, come carica e massa. Se avessi un sensore sensibile a molte di queste proprietà, potresti dire la differenza tra questi eventi di legame senza iniziare con le proteine ​​corrispondenti per tutti loro".

Più modalità di rilevamento operano contemporaneamente, migliore è un sensore nel distinguere tra proteine ​​simili. Le proteine ​​A e B potrebbero avere la stessa massa ma cariche diverse, mentre le proteine ​​B e C hanno le stesse cariche ma diverse proprietà ottiche.

Un sensore multimodale, estraendo dati da più categorie, potrebbe restringere l'identità di una proteina confrontando quei valori con un grande database. Tale capacità potrebbe potenzialmente consentirne l'applicazione a campioni in cui il contenuto della proteina è sconosciuto, un importante aggiornamento sulla tecnologia attuale che generalmente coinvolge sensori personalizzati per rilevare la presenza di insiemi predefiniti di proteine.

I sensori del team sono costituiti da una base di nitruro di silicio, rivestito con uno strato di grafene, un reticolo di atomi di carbonio dello spessore di un singolo atomo. Essendo a base di carbonio significa che il grafene è una superficie di legame attraente per le proteine, il che significa che il dispositivo non ha bisogno di essere "funzionalizzato" con proteine ​​che possono interagire con quelle che il sensore mira a rilevare.

L'estrema sottigliezza del grafene e le proprietà elettriche uniche consentono anche la meccanica, modalità elettrica e ottica per operare contemporaneamente senza interferire l'una con l'altra.

"Nella modalità meccanica, il grafene è come la pelle di un tamburo, " ha detto Alexander Zhu, il primo autore dello studio, che allora era uno studente universitario che lavorava nel laboratorio di Cubukcu. "Poiché le proteine ​​si legano, la massa totale cambia e la risonanza del tamburo cambia in funzione della massa totale.

"Nella modalità elettrica, possiamo osservare come gli elettroni viaggiano attraverso il grafene. La conduttanza è una funzione del totale delle portanti disponibili all'interno, così, se hai qualcosa che si lega al grafene, che modifica il numero di portanti e quindi le proprietà di conduttanza.

"Finalmente, in modalità ottica, abbiamo una fonte di luce visibile e la facciamo brillare sul sensore e misuriamo il riflesso. Quando nulla è vincolato, è vedere solo aria, ma, non appena le proteine ​​si legano, possiamo misurare la variazione dell'indice di rifrazione."

Nel loro studio, i ricercatori hanno testato il loro sensore con campioni noti di proteine ​​per dimostrare che tutte e tre le modalità possono funzionare contemporaneamente.

"Abbiamo dimostrato che un campione fornisce tutti e tre i turni, "Yi ha detto, "nella massa, letture elettriche e ottiche."

Ulteriori lavori del gruppo di Cubukcu studieranno la fattibilità dell'utilizzo di questo sensore multimodale per identificare proteine ​​da campioni sconosciuti.