Geurmoleculen detecteren op een grafeenoppervlak gelaagd met zelf-geassembleerde peptiden

Op grafeen gebaseerde reuksensoren die geurmoleculen kunnen detecteren op basis van het ontwerp van peptidesequenties, werden onlangs gedemonstreerd door onderzoekers van Tokyo Tech. De bevindingen gaven aan dat grafeen veldeffecttransistors (GFET’s) gefunctionaliseerd met ontwerpbare peptiden kunnen worden gebruikt om elektronische apparaten te ontwikkelen die reukreceptoren nabootsen en het reukvermogen nabootsen door selectief geurmoleculen te detecteren.

Olfactorische waarneming of geurwaarneming is een integraal onderdeel van veel industrieën, waaronder de gezondheidszorg, voeding, cosmetica en milieubewaking. Op dit moment is gaschromatografie-massaspectrometrie (GC-MS) de meest gebruikte techniek voor het detecteren en schatten van geurmoleculen. Hoewel zeer effectief, heeft GC-MS enkele beperkingen, zoals de omvangrijke opstelling en beperkte gevoeligheid. Als gevolg hiervan zijn wetenschappers op zoek gegaan naar meer gevoelige en gebruiksvriendelijke alternatieven.

In de afgelopen jaren zijn grafeenveldeffecttransistors (GFET’s) gebruikt om zeer gevoelige en selectieve geursensoren te ontwikkelen door te integreren met reukreceptoren, ook wel bekend als elektronische neuzen. De atomair vlakke oppervlakken en de hoge elektronenmobiliteit van grafeenoppervlakken maken GFET’s ideaal voor het adsorberen van geurmoleculen. De toepassing van GFET als elektrische biosensoren met de receptoren wordt echter ernstig beperkt door factoren, zoals de kwetsbaarheid van receptoren en het ontbreken van alternatieve synthetische moleculen die kunnen functioneren als reukreceptoren.

Een team van onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) onder leiding van prof. Yuhei Hayamizu trachtte deze problemen aan te pakken met op GFET gebaseerde reukreceptoren. In hun recente studie gepubliceerd in Biosensoren en bio-elektronicaheeft het team drie nieuwe peptiden ontworpen en ontwikkeld voor grafeen-biosensoren die geurmoleculen kunnen detecteren.

Prof. Hayamizu legt uit: “De sequentie van peptiden die we hebben ontworpen, moest twee hoofdfuncties vervullen: fungeren als een biomoleculaire steiger voor zelfassemblage op een grafeenoppervlak en functioneren als een bio-sonde om de geurmoleculen te binden. Hierdoor zouden de peptiden kunnen bedek het grafeenoppervlak op een zelfassemblerende manier en functionaliseer het oppervlak uniform om geurmoleculen op te vangen.”

Het team voerde atoomkrachtmicroscopie uit, waaruit bleek dat de peptiden het grafeenoppervlak uniform bedekten met de dikte van een enkel molecuul. Het gefunctionaliseerde grafeen werd vervolgens gebruikt om een ​​GFET-opstelling te bouwen voor het detecteren van geurmoleculen. Na de montage injecteerde het team limoneen, menthol en methylsalicylaat als representatieve geurmoleculen in de GFET. De elektrochemische metingen gaven aan dat binding met de geurmoleculen de geleidbaarheid van het grafeen verminderde. De waarnemingen onthulden ook dat de interactie tussen de drie peptidesequenties en het geurmolecuul aanleiding gaf tot zeer verschillende kenmerken. Dit bevestigde dat de reactie van de GFET op de geurmoleculen afhing van het peptideontwerp.

Bovendien voerde het team real-time elektrische metingen uit om de kinetische respons van de GFET te volgen. De waarnemingen gaven aan dat de tijdsbeperking geassocieerd met de adsorptie en desorptie van geurmoleculen uniek was voor elk van de peptidesequenties. Dit gedrag werd verder bevestigd door principale componentenanalyse. Deze waarnemingen bevestigden dat de nieuwe GFET-opstelling succesvol was in het elektrisch detecteren van de geurmoleculen met behulp van de ontworpen peptiden.

“Onze aanpak is eenvoudig en kan worden opgeschaald voor massaproductie van op peptide gebaseerde reukreceptoren die de natuurlijke eiwitreceptoren die verantwoordelijk zijn voor ons reukvermogen kunnen nabootsen en miniaturiseren. We zijn een stap dichter bij het realiseren van het concept van elektronische neuzen”, zegt prof. Hayamizu.

De robuuste aanpak die in deze studie wordt gepresenteerd, opent nieuwe deuren voor de ontwikkeling van zeer selectieve en gevoelige op GFET gebaseerde geurdetectiesystemen. Deze inzichten kunnen ook worden gebruikt bij het ontwerpen van geavanceerde peptidesensoren die multidimensionale analyses van een reeks geurmoleculen kunnen uitvoeren.