新型石墨烯超灵敏生物传感器迈出第一步 高效率检测疾病

近日消息，明尼苏达大学科学与工程学院的研究人员使用奇迹材料石墨烯开发了一种独特的新设备，该设备向超灵敏生物传感器迈出了第一步，可以实现在分子水平上以近乎完美的效率诊断疾病。

用于探测蛋白质结构的超灵敏生物传感器可以极大地提高对人类和动物的各种疾病的诊断深度。这些包括阿尔茨海默病，慢性消耗性疾病和与蛋白质错误折叠相关的疯牛病。这些生物传感器还可以改进开发新药物化合物的技术。研究成果发表在了近期的 《Nature Nanotechnology》上。

“为了诊断和治疗许多疾病，我们需要检测非常少量的蛋白质分子，并了解它们的结构，”明尼苏达大学电气与计算机工程教授兼该研究的首席研究员Sang-Hyun Oh说。“目前，该过程存在许多技术挑战。我们希望基于石墨烯的设备和独特的制造工艺将提供有助于克服这些挑战。”

石墨烯是一种由单层碳原子组成的材料，十多年前就被人们发现了。它独特的性质吸引了众多研究人员，他们发现了许多新应用，包括创造更好的疾病诊断传感器。

科研工作者们已经对使用石墨烯改进生物传感器进行了重大尝试，但是其显著的单原子厚度使得这个过程充满挑战，因为它在光照时不会与光有效地相互作用。在诊断疾病时，光吸收和向局部电场的转换对于检测少量分子是必不可少的。以前使用类似石墨烯纳米结构的研究证明光吸收率仅仅小于10％。

在这项新研究中，明尼苏达大学的研究人员将石墨烯与纳米金属带结合起来。使用胶带和明尼苏达大学开发的高科技纳米加工技术，称为“模板剥离”，研究人员能够为石墨烯创建一个超平的基层表面。

然后，他们利用光的能量在石墨烯中产生一种被称为等离子体的电子晃动，这种运动可以被认为就像波纹或波在“海”中传播的电子。同样，基于研究人员的巧妙设计，这些波可以在强度上形成局部电场的巨大“潮汐波”。

通过在单原子厚的石墨烯层器件上发光，他们能够以近乎完美的94％光吸收进入电场的“潮汐波”，产生具有前所未有效率的等离子体波。当他们在石墨烯和金属带之间插入蛋白质分子时，他们能够利用足够的能量来观察单层蛋白质分子。

“我们的计算机模拟显示这种新颖的方法可行，但当我们在真实设备中实现94％的光吸收时，我们仍然感到有些惊讶，”Oh说，他是Sanford P. Bordeau大学电气工程系主任。明尼苏达州。“从计算机模拟中实现理想有很多挑战。所有东西都必须是如此高质量和原子级平坦。事实上，我们可以在理论和实验之间取得如此良好的一致，这是非常令人惊讶和激动的。”

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