Pesquisadores da Faculdade de Ciências e Engenharia da Universidade de Minnesota desenvolveram um novo dispositivo exclusivo usando o material maravilhoso grafeno que fornece o primeiro passo em direção a biossensores ultrassensíveis para detectar doenças em nível molecular com eficiência quase perfeita.

Biossensores ultrassensíveis para sondar estruturas de proteínas podem melhorar muito a profundidade do diagnóstico para uma ampla variedade de doenças que se estendem a humanos e animais. Isso inclui a doença de Alzheimer, Doença de Emagrecimento Crônico, e doença da vaca louca - distúrbios relacionados ao dobramento incorreto de proteínas. Esses biossensores também podem levar a tecnologias aprimoradas para o desenvolvimento de novos compostos farmacêuticos.

A pesquisa é publicada em Nature Nanotechnology , um jornal científico revisado por pares publicado pelo Nature Publishing Group.

"Para detectar e tratar muitas doenças, precisamos detectar moléculas de proteínas em quantidades muito pequenas e entender sua estrutura, "disse Sang-Hyun Oh, Professor de engenharia elétrica e de computação da Universidade de Minnesota e pesquisador principal do estudo. "Atualmente, existem muitos desafios técnicos com esse processo. Esperamos que nosso dispositivo usando grafeno e um processo de fabricação exclusivo forneça a pesquisa fundamental que pode ajudar a superar esses desafios. "

Grafeno, um material feito de uma única camada de átomos de carbono, foi descoberto há mais de uma década. Ele cativou os pesquisadores com sua gama de propriedades surpreendentes que encontraram usos em muitas novas aplicações, incluindo a criação de melhores sensores para detecção de doenças.

Tentativas significativas foram feitas para melhorar os biossensores usando grafeno, mas o desafio existe com sua notável espessura de um único átomo. Isso significa que ele não interage de maneira eficiente com a luz quando iluminada através dela. A absorção de luz e a conversão em campos elétricos locais são essenciais para detectar pequenas quantidades de moléculas no diagnóstico de doenças. Pesquisas anteriores utilizando nanoestruturas de grafeno semelhantes demonstraram apenas uma taxa de absorção de luz inferior a 10 por cento.

Neste novo estudo, Os pesquisadores da Universidade de Minnesota combinaram o grafeno com fitas metálicas de ouro de tamanho nanométrico. Usando fita adesiva e uma técnica de nanofabricação de alta tecnologia desenvolvida na Universidade de Minnesota, chamado de "decapagem de modelo, “Os pesquisadores conseguiram criar uma superfície de camada de base ultra-plana para o grafeno.

Eles então usaram a energia da luz para gerar um movimento de espalhamento de elétrons no grafeno, chamados plasmons, que podem ser considerados ondulações ou ondas que se espalham por um "mar" de elétrons. De forma similar, essas ondas podem se transformar em "ondas gigantes" de campos elétricos locais com base no design inteligente dos pesquisadores.

Ao iluminar o dispositivo da camada de grafeno com um átomo de espessura, eles foram capazes de criar uma onda de plasmon com eficiência sem precedentes em uma absorção de luz quase perfeita de 94% em "ondas gigantes" de campo elétrico. Quando eles inseriram moléculas de proteína entre as fitas de grafeno e metal, eles foram capazes de aproveitar energia suficiente para visualizar camadas únicas de moléculas de proteína.

"Nossas simulações de computador mostraram que essa nova abordagem funcionaria, mas ainda ficamos um pouco surpresos quando alcançamos 94 por cento de absorção de luz em dispositivos reais, "disse Oh, que possui a Cátedra Sanford P. Bordeau em Engenharia Elétrica na Universidade de Minnesota. “Realizar um ideal a partir de uma simulação de computador tem muitos desafios. Tudo tem que ser de alta qualidade e atomicamente plano. O fato de podermos obter um acordo tão bom entre teoria e experimento foi bastante surpreendente e excitante”.