I ricercatori del College of Science and Engineering dell'Università del Minnesota hanno sviluppato un nuovo dispositivo unico utilizzando il meraviglioso materiale grafene che fornisce il primo passo verso i biosensori ultrasensibili per rilevare le malattie a livello molecolare con un'efficienza quasi perfetta.

I biosensori ultrasensibili per sondare le strutture proteiche potrebbero migliorare notevolmente la profondità della diagnosi per un'ampia varietà di malattie che si estendono sia all'uomo che agli animali. Questi includono il morbo di Alzheimer, Malattia del deperimento cronico, e il morbo della mucca pazza, disturbi legati all'errato ripiegamento delle proteine. Tali biosensori potrebbero anche portare a tecnologie migliorate per lo sviluppo di nuovi composti farmaceutici.

La ricerca è pubblicata su Nanotecnologia della natura , una rivista scientifica peer-reviewed pubblicata da Nature Publishing Group.

"Per rilevare e curare molte malattie abbiamo bisogno di rilevare molecole proteiche in quantità molto piccole e comprenderne la struttura, " ha detto Sang-Hyun Oh, Professore di ingegneria elettrica e informatica dell'Università del Minnesota e ricercatore capo dello studio. "Attualmente, ci sono molte sfide tecniche con quel processo. Speriamo che il nostro dispositivo che utilizza il grafene e un processo di produzione unico fornisca la ricerca fondamentale che può aiutare a superare queste sfide".

Grafene, un materiale costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, è stato scoperto più di dieci anni fa. Ha affascinato i ricercatori con la sua gamma di proprietà sorprendenti che hanno trovato impiego in molte nuove applicazioni, compresa la creazione di sensori migliori per rilevare le malattie.

Sono stati fatti tentativi significativi per migliorare i biosensori utilizzando il grafene, ma la sfida esiste con il suo notevole spessore di un singolo atomo. Ciò significa che non interagisce in modo efficiente con la luce quando viene irradiata attraverso di essa. L'assorbimento della luce e la conversione in campi elettrici locali è essenziale per rilevare piccole quantità di molecole durante la diagnosi delle malattie. Ricerche precedenti che utilizzavano nanostrutture di grafene simili hanno dimostrato solo un tasso di assorbimento della luce inferiore al 10%.

In questo nuovo studio, I ricercatori dell'Università del Minnesota hanno combinato il grafene con nastri metallici d'oro di dimensioni nanometriche. Utilizzando nastro adesivo e una tecnica di nanofabbricazione ad alta tecnologia sviluppata presso l'Università del Minnesota, chiamato "rimozione del modello, " I ricercatori sono stati in grado di creare una superficie di strato di base ultrapiatta per il grafene.

Hanno quindi usato l'energia della luce per generare un movimento oscillante di elettroni nel grafene, chiamati plasmoni, che possono essere pensati come increspature o onde che si diffondono attraverso un "mare" di elettroni. Allo stesso modo, queste onde possono aumentare di intensità per gigantesche "onde di marea" di campi elettrici locali in base al design intelligente dei ricercatori.

Illuminando il dispositivo a strato di grafene spesso un singolo atomo, sono stati in grado di creare un'onda plasmonica con un'efficienza senza precedenti con un assorbimento della luce quasi perfetto del 94% nelle "onde di marea" del campo elettrico. Quando hanno inserito molecole proteiche tra il grafene e i nastri metallici, sono stati in grado di sfruttare energia sufficiente per visualizzare singoli strati di molecole proteiche.

"Le nostre simulazioni al computer hanno mostrato che questo nuovo approccio avrebbe funzionato, ma siamo rimasti un po' sorpresi quando abbiamo raggiunto il 94% di assorbimento della luce nei dispositivi reali, " ha detto ah, che detiene la cattedra Sanford P. Bordeau in Ingegneria Elettrica presso l'Università del Minnesota. "Realizzare un ideale da una simulazione al computer ha così tante sfide. Tutto deve essere di alta qualità e atomicamente piatto. Il fatto che siamo riusciti a ottenere un così buon accordo tra teoria ed esperimento è stato abbastanza sorprendente ed eccitante".