皱巴巴的石墨烯使敏感的癌症DNA探测器

石墨烯生物传感器将迎来一个液体活检的时代,DNA检测癌症患者的血液或血清中循环标记物。但是目前的设计需要大量的DNA。在一项新的研究中,扭曲的石墨烯可以更敏感一万倍DNA通过创建电气“热点”,伊利诺伊大学香槟分校的研究人员发现。

皱巴巴的石墨烯可用于广泛的生物传感快速诊断,研究人员说。

“这种传感器可以检测超低浓度的疾病的分子标记,为早期诊断是很重要的,”研究带头人拉希德巴希尔说,生物工程教授格兰杰在伊利诺斯大学的工程学院的院长。“很敏感,这是低成本、易于使用,它以一种新的方式使用石墨烯。”

而寻找的想法的癌症在核酸序列,如DNA或其近亲RNA,并不新鲜,这是第一个电子传感器检测很小的数量,例如可能会发现在一个病人的血清,没有额外的处理。

“当你有癌症,特定的序列中。但是而不是DNA测序一个人的,这需要大量的时间和金钱,我们可以发现那些癌症生物标记物的特定片段的DNA和RNA从肿瘤分泌到血液,”迈克尔·黄说,该研究的第一作者霍罗姆雅克微观和纳米技术实验室的一位博士后研究员在伊利诺斯州。

石墨烯-碳单原子厚度的平板是一个流行的,低成本的材料电子传感器。然而,核酸传感器发展到目前为止需要这一过程被称为放大——分离DNA或RNA片段和复制它在试管中很多次。这个过程十分漫长,引入错误。所以巴希尔的团队提高石墨烯的感应能力能够测试的点没有第一次放大DNA样本。

许多其他的方法来提高石墨烯的电学性能包括精心设计的纳米结构。伊利诺斯州集团而不是制造特殊的结构,只是伸出一层很薄的塑料,奠定了石墨烯在上面,然后释放张力在塑料,导致石墨烯揉成一团,形成一个皱巴巴的表面。

他们测试的石墨烯微rna DNA和癌症相关的能力缓冲溶液和在人类血清稀释,看到性能改善成千上万次平的石墨烯。

“这是有史以来最高灵敏度电气检测生物分子的报道。之前,我们需要检测样品中成千上万的分子。用这个设备,我们可以检测到信号,只有少数分子,”黄说。“我希望看到一些改善敏感性,但不是这样的。”

确定原因提高传感能力,机械科学与工程Narayana Aluru教授和他的研究小组使用详细的计算机模拟研究的石墨烯的电学性能以及DNA身体与传感器的表面。

他们发现蛀牙担任电气热点,充当一个陷阱来吸引和保持DNA和RNA分子。

“当你一蹶不振石墨烯并创建这些凹区域,DNA分子融入曲线和蛀牙表面上,所以更多的分子与石墨烯相互作用,我们可以发现,“说研究生Mohammad Heiranian co-first作者的研究。“但是当你有一个平坦的表面,等其他离子溶液中表面比DNA,所以石墨烯的DNA相互作用不大,我们不能发现它。”

此外,起皱的产生的石墨烯材料,改变其电特性的应变,导致能带——这种能量势垒电子必须克服流过的材料,使它更敏感DNA和RNA分子的电荷。

“这能带潜在表明皱巴巴的石墨烯可用于其他应用程序,如纳米电路、二极管或灵活的电子产品,“阿米尔Taqieddin说,研究生论文的合著者。

尽管DNA用于第一个演示皱巴巴的石墨烯对生物分子的敏感性,新的传感器可以用来探测各种目标生物标志物。巴希尔的团队正在测试皱巴巴的石墨烯传感器的蛋白质和小分子。

“最终目标是构建墨盒的手持设备将几滴血液中检测目标分子,例如,在血糖监测的方式,”巴希尔说。“我们的愿景是测量快速、可移植格式。”

参考

黄等。(2020)使用变形超灵敏检测核酸石墨烯场效应传感器频道。自然通讯。DOI: https://doi.org/10.1038/s41467 - 020 - 15330 - 9

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