Chemici ontwikkelen op grafeen gebaseerde biosensoren, wat de weg vrijmaakt voor geavanceerde diagnostiek

Tweedimensionale materialen zoals grafeen zijn niet alleen ultradun, maar ook extreem gevoelig. Onderzoekers proberen daarom al jaren zeer gevoelige biosensoren te ontwikkelen die gebruik maken van hun eigenschappen.

Op grafeen gebaseerde veldeffecttransistors zouden bijvoorbeeld de kleinste veranderingen in de elektronische eigenschappen kunnen registreren die door de moleculen worden veroorzaakt wanneer ze interageren met deze atomair dunne laag. De overgevoeligheid van het materiaal heeft tot nu toe echter de praktische realisatie van dit idee in de weg gestaan.

Wetenschappers van de Friedrich Schiller Universiteit Jena, Duitsland, hebben nu een manier ontwikkeld om dit obstakel te overwinnen, wat mogelijk de weg vrijmaakt voor een revolutie in de diagnostiek. Ze hebben gepubliceerd hun bevindingen in het onderzoekstijdschrift Geavanceerde materialen.

Net als andere biosensoren heeft een op grafeen gebaseerde biosensor een gefunctionaliseerd oppervlak nodig waarop alleen specifieke moleculen zich kunnen hechten. Als bijvoorbeeld een specifieke biomarker uit een bloed- of speekselmonster moet worden gedetecteerd, moet een overeenkomstige tegenhanger – een zogenaamd capture-molecuul – op het sensoroppervlak worden aangebracht.

Het probleem: “Als grafeen direct wordt gefunctionaliseerd, verandert de elektronische structuur ervan ongunstig”, legt prof. dr. Andrey Turchanin van de Universiteit van Jena uit. “Grafeen is dan geen grafeen meer; de specifieke elektronische eigenschappen die je eigenlijk wilt gebruiken, zijn dan niet meer beschikbaar.” Parameters die de hoge gevoeligheid van zo’n biosensor bepalen – bijvoorbeeld de mobiliteit van de ladingsdragers – worden te sterk beïnvloed.

Functionalisatie dankzij een moleculaire tussenlaag

Turchanin en zijn team hebben nu echter, samen met partners uit de industrie, onderzoek en geneeskunde, een methode ontwikkeld om grafeen zonder interferentie tefunctionaliseren. “We hebben op het grafeen een moleculair koolstofmembraan aangebracht, dat met één nanometer net zo dun is als grafeen. Deze tussenlaag is diëlektrisch, wat betekent dat het geen elektriciteit geleidt”, legt Turchanin uit.

“Beide componenten zijn met elkaar verbonden door zogenaamde van der Waals-krachten en vormen een heterostructuur die we hebben kunnen functionaliteitiseren zonder de elektronische eigenschappen van het grafeen te beïnvloeden.”

Dit komt omdat chemisch actieve functionele groepen zonder interferentie op de moleculaire tussenlaag kunnen worden aangebracht, waaraan een willekeurig aantal verschillende vangmoleculen kan worden gehecht. Wanneer de gewenste tegenhangers zich hechten, zenden ze het elektrische veld naar het grafeen, waardoor de elektrische signalen in dit materiaal veranderen zonder de eigenschappen ervan te beïnvloeden.

Onderzoek van complexe klinische monsters

Als vangmoleculen hebben de onderzoekers de chemisch actieve functionele groep op de moleculaire tussenlaag uitgerust met kunstmatig geproduceerde aptameren die heel gericht specifieke moleculen kunnen binden. Ze hebben ook het koolstofnanomembraan gefunctionaliseerd met een eiwitafstotende laag van polyethyleenglycol, een synthetisch polymeer dat vaak in de geneeskunde wordt gebruikt. Het voorkomt dat er iets op het oppervlak adsorbeert dat niet gewenst is. Op deze manier kunnen de gezochte biomarkers worden gevonden in een complex biologisch monster.

Met deze experimentele opzet zijn de experts in Jena erin geslaagd chemokines op te sporen – een bepaalde groep eiwitten die een belangrijke rol spelen in het menselijke immuunsysteem en daarom een ​​grote rol kunnen spelen als biomarkers bij de diagnose van ziekten.

“Dankzij de samenwerking met een medicijnlaboratorium in Nederland hebben we voor deze experimenten monsters van neusuitstrijkjes van echte patiënten gebruikt”, zegt Andrey Turchanin. “Bovendien kunnen de grafeensensoren die we hebben ontwikkeld worden gebruikt om niet slechts één, maar honderden biomarkers te vinden”, voegt dr. David Kaiser, de eerste auteur van de publicatie, toe.

Gevoeliger, sneller, goedkoper

“Dit onderzoeksresultaat zou baanbrekend kunnen zijn voor de diagnostiek van de toekomst, omdat we een grote hindernis hebben kunnen wegnemen op weg naar een op grafeen gebaseerde biosensor die veel effectiever is dan alles wat momenteel in normale klinische toepassingsgebieden wordt gebruikt”, zegt Keizer. “Het is veel gevoeliger, aanzienlijk sneller (de resultaten zijn binnen ongeveer vijf minuten beschikbaar) en kosteneffectief als het in grote hoeveelheden wordt geproduceerd.”

Het meetprincipe is puur elektrisch: veranderingen in de elektrische stroom alleen al geven aan of de gezochte biomarkers zijn gevonden. Dienovereenkomstig kan een dergelijke biosensor eenvoudig worden geïntegreerd in de dagelijkse klinische praktijk in combinatie met een handig point-of-care-apparaat. “Het is waarschijnlijk zelfs mogelijk met onze mobiele telefoons”, zegt Turchanin.