近日消息，明尼蘇達(dá)大學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員使用奇跡材料石墨烯開發(fā)了一種獨(dú)特的新設(shè)備，該設(shè)備向超靈敏生物傳感器邁出了第一步，可以實(shí)現(xiàn)在分子水平上以近乎完美的效率診斷疾病。

用于探測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的超靈敏生物傳感器可以極大地提高對(duì)人類和動(dòng)物的各種疾病的診斷深度。這些包括阿爾茨海默病，慢性消耗性疾病和與蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊相關(guān)的瘋牛病。這些生物傳感器還可以改進(jìn)開發(fā)新藥物化合物的技術(shù)。研究成果發(fā)表在了近期的 《Nature Nanotechnology》上。

“為了診斷和治療許多疾病，我們需要檢測(cè)非常少量的蛋白質(zhì)分子，并了解它們的結(jié)構(gòu)，”明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程教授兼該研究的首席研究員Sang-Hyun Oh說?！澳壳埃撨^程存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)。我們希望基于石墨烯的設(shè)備和獨(dú)特的制造工藝將提供有助于克服這些挑戰(zhàn)?！?/p>

石墨烯是一種由單層碳原子組成的材料，十多年前就被人們發(fā)現(xiàn)了。它獨(dú)特的性質(zhì)吸引了眾多研究人員，他們發(fā)現(xiàn)了許多新應(yīng)用，包括創(chuàng)造更好的疾病診斷傳感器。

科研工作者們已經(jīng)對(duì)使用石墨烯改進(jìn)生物傳感器進(jìn)行了重大嘗試，但是其顯著的單原子厚度使得這個(gè)過程充滿挑戰(zhàn)，因?yàn)樗诠庹諘r(shí)不會(huì)與光有效地相互作用。在診斷疾病時(shí)，光吸收和向局部電場(chǎng)的轉(zhuǎn)換對(duì)于檢測(cè)少量分子是必不可少的。以前使用類似石墨烯納米結(jié)構(gòu)的研究證明光吸收率僅僅小于10％。

在這項(xiàng)新研究中，明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員將石墨烯與納米金屬帶結(jié)合起來。使用膠帶和明尼蘇達(dá)大學(xué)開發(fā)的高科技納米加工技術(shù)，稱為“模板剝離”，研究人員能夠?yàn)槭﹦?chuàng)建一個(gè)超平的基層表面。

然后，他們利用光的能量在石墨烯中產(chǎn)生一種被稱為等離子體的電子晃動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)可以被認(rèn)為就像波紋或波在“?！敝袀鞑サ碾娮?。同樣，基于研究人員的巧妙設(shè)計(jì)，這些波可以在強(qiáng)度上形成局部電場(chǎng)的巨大“潮汐波”。

通過在單原子厚的石墨烯層器件上發(fā)光，他們能夠以近乎完美的94％光吸收進(jìn)入電場(chǎng)的“潮汐波”，產(chǎn)生具有前所未有效率的等離子體波。當(dāng)他們?cè)谑┖徒饘賻еg插入蛋白質(zhì)分子時(shí)，他們能夠利用足夠的能量來觀察單層蛋白質(zhì)分子。

“我們的計(jì)算機(jī)模擬顯示這種新穎的方法可行，但當(dāng)我們?cè)谡鎸?shí)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)94％的光吸收時(shí)，我們?nèi)匀桓械接行@訝，”O(jiān)h說，他是Sanford P. Bordeau大學(xué)電氣工程系主任。明尼蘇達(dá)州?！皬挠?jì)算機(jī)模擬中實(shí)現(xiàn)理想有很多挑戰(zhàn)。所有東西都必須是如此高質(zhì)量和原子級(jí)平坦。事實(shí)上，我們可以在理論和實(shí)驗(yàn)之間取得如此良好的一致，這是非常令人驚訝和激動(dòng)的?！?/p>

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