Usando un laser per bruciare i modelli in un foglio di polimero, I ricercatori KAUST hanno creato elettrodi di grafene che fungono da efficaci biosensori.

Il grafene è un foglio di carbonio, solo un atomo di spessore, che è forte, flessibile e altamente conduttivo. Alcune molecole possono innescare una risposta elettrica quando interagiscono con il grafene, rendendolo potenzialmente utile come sensore elettrochimico. Un modo per aumentare la sua sensibilità è creare un grande, superficie accessibile del grafene rivestendolo all'interno di materiali porosi tridimensionali. Però, questo di solito richiede tecniche di produzione costose o coinvolge leganti chimici che interferiscono con il rilevamento. Nonostante questi passaggi, fogli di grafene spesso si aggregano, riducendo la loro superficie complessiva.

Il professore di Scienza dei materiali e ingegneria Husam Alshareef e colleghi dell'Università hanno sviluppato un approccio alternativo utilizzando una tecnica chiamata tracciatura laser. Questa tecnica riscalda localmente parti di un polimero di poliimmide flessibile a 2500 gradi Celsius o più per formare modelli carbonizzati di patch sulla superficie che fungono da elettrodi.

Queste macchie nere hanno uno spessore di circa 33 micrometri, e la loro natura altamente porosa consente alle molecole di permeare il materiale. Dentro le toppe, i fogli di grafene hanno bordi esposti che sono molto efficaci nello scambio di elettroni con altre molecole. "Gli elettrodi a base di grafene con più siti edge-plane sono effettivamente migliori di quelli che si basano su siti carbonio o carbonio-ossigeno nel piano del materiale, " ha detto il postdoc nel gruppo Pranati Nayak di Alshareef, che ha condotto lo studio.

I ricercatori hanno aggiunto catalizzatori di nanoparticelle di platino a uno degli elettrodi per accelerare le reazioni elettrochimiche con altre molecole. In esperimenti con due diverse molecole di prova, questo elettrodo potrebbe scambiare elettroni centinaia di volte più velocemente di altri elettrodi a base di carbonio e non ha mostrato alcuna perdita di prestazioni in 20 cicli di test.

Il team ha utilizzato questo elettrodo a base di grafene per costruire un sensore (vedi immagine) per tre molecole biologicamente importanti:acido ascorbico, dopamina e acido urico. Quando le molecole colpiscono la superficie dell'elettrodo, rilasciano elettroni, generando una corrente proporzionale alla loro concentrazione. In modo cruciale, la risposta elettrochimica di ogni molecola è stata osservata a un voltaggio diverso, il che significa che il dispositivo potrebbe misurare le loro concentrazioni contemporaneamente e senza interferenze.

L'elettrodo ha rilevato con precisione concentrazioni molto piccole (micromolari) delle molecole, battendo diversi elettrodi rivali sia sulla sensibilità che sui limiti inferiori di rilevamento. I ricercatori ora sperano di aggiungere tracce di altri atomi, come l'azoto, al grafene per migliorare le sue prestazioni di rilevamento e per aumentare gli elettrodi con aptameri, brevi filamenti di DNA, RNA o peptidi che si legano a specifiche molecole bersaglio, per creare nuovi biosensori.