Устройство на основе графена для сверхчувствительных биосенсоров

Сверхчувствительные биосенсоры для исследования белковых структур могут значительно повысить глубину диагностики широкого спектра заболеваний, распространяющихся как на людей, так и на животных. К ним относятся болезнь Альцгеймера, хроническое истощение и коровье бешенство — нарушения, связанные с неправильным сворачиванием белков. Такие биосенсоры также могут способствовать совершенствованию технологий разработки новых фармацевтических соединений.

Графен, материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, был открыт более десяти лет назад. Он поразил исследователей своим рядом удивительных свойств, которые нашли применение во многих новых приложениях, включая создание более совершенных датчиков для обнаружения заболеваний. Были предприняты серьезные попытки улучшить биосенсоры с использованием графена, но проблема заключается в его замечательной толщине в один атом. Это означает, что он не взаимодействует эффективно со светом, когда светит сквозь него. Поглощение света и его преобразование в локальные электрические поля необходимы для обнаружения малых количеств молекул при диагностике заболеваний. Предыдущие исследования с использованием подобных графеновых наноструктур показали, что скорость поглощения света составляет менее 10 процентов.

Исследователи объединили графен с наноразмерными металлическими лентами из золота. Используя липкую ленту и технику нанотехнологии, называемую «зачистка шаблона», они смогли создать сверхплоскую поверхность базового слоя для графена. Затем энергия света использовалась для создания плескательного движения электронов в графене, называемых плазмонами, которые подобны ряби или волнам, распространяющимся в море электронов. Точно так же эти волны могут нарастать по интенсивности до гигантских приливных волн локальных электрических полей.

Путем освещения устройства со слоем графена толщиной в один атом плазмонная волна была создана с беспрецедентной эффективностью при почти идеальном 94-процентном поглощении света приливными волнами электрического поля. Когда молекулы белка помещались между графеновой и металлической лентами, энергии было достаточно для просмотра отдельных слоев молекул белка.