Onderzoekers draaien de schakelaar om om microsensoren supergevoelig te maken voor biomoleculen

Een team onder leiding van onderzoekers van de Tandon School of Engineering van de New York University heeft een nieuwe manier gevonden om de prestaties van elektrochemische microsensoren te verbeteren. Deze ontdekking zou kunnen leiden tot de detectie van biomoleculen, zoals dopamine, in lagere concentraties dan nu mogelijk is. Hun bevindingen worden beschreven in een artikel dat in het tijdschrift is gepubliceerd Biosensoren en bio-elektronica​

De activiteit van dopaminemoleculen in de hersenen wordt geassocieerd met belangrijke functies zoals motivatie, motorische controle, bekrachtiging en beloning. Onderzoekers en clinici monitoren vaak de activiteit van neurotransmitters in de hersenen door middel van elektrochemische microsensoren gemaakt van koolstof. Vanwege hun beperkte gevoeligheid kunnen bestaande microsensoren echter alleen grote veranderingen in dopamine-niveaus detecteren. Ze kunnen ook slechts vanaf één plek in de hersenen tegelijk opnemen.

Om de multi-site mapping van dopamine-activiteiten in de hersenen te ondersteunen, heeft het NYU Tandon-onderzoeksteam onlangs vlakke microsensoren ontwikkeld met behulp van een koolstofnanomateriaal, genaamd nanografietkoolstof.

“We gebruiken nanofabricagetechnieken, vergelijkbaar met die voor het bouwen van chips in consumentenelektronica, om een ​​reeks van vele vlakke elektrochemische microsensoren te creëren”, zegt Davood Shahrjerdi, universitair hoofddocent elektrische en computertechnologie en hoofdonderzoeker van de studie. “Onze sensoren zijn klein – vergelijkbaar met een neuroncellichaam – en kunnen dicht bij elkaar worden verpakt voor opnames met een hogere ruimtelijke resolutie,” voegde hij eraan toe.

Een belangrijke bevinding van het team is dat de sensorprestaties kunnen worden aangepast door de materiaalstructuur van de nanografietkoolstof te construeren. De details van de sensorontwikkeling worden beschreven in een eerder gepubliceerd artikel dat verscheen in Wetenschappelijke rapporten​

“Onze studie in Wetenschappelijke rapporten suggereert dat de prestaties van de sensor ongewijzigd moeten blijven als we de bedrijfsspanning verlagen, aangezien de prestaties van de sensor worden bepaald door de materiaalstructuur “, voegt Shahrjerdi toe.

Het team maakte echter een verrassende observatie dat de amplitude van de sensoruitvoer als reactie op dopaminemoleculen werd verhoogd door de bedrijfsspanning te verlagen.

“We dachten aanvankelijk dat er misschien iets mis was met de metingen”, zei Edoardo Cuniberto, een Ph.D. student in de NYU Nanolab aan de NYU Tandon, die de hoofdauteur van het onderzoek is. “Met meer dan een jaar van aanzienlijke aanvullende experimenten en theoretische simulaties, hebben we niet alleen onze eerste waarneming bevestigd, maar waren we ook in staat om de fysica achter onze verrassende waarneming te verklaren”, legt Cuniberto uit.

De onderzoekers demonstreerden sensoren met recordprestaties door het nieuwe spanningsafhankelijke fenomeen te combineren met hun benadering van het ontwerpen van de materiaalstructuur. “We zijn enthousiast over het verkennen van de vooruitzichten van onze nieuwe sensortechnologie voor toekomstige hersenstudies”, aldus Shahrjerdi.

Naast Cuniberto bestond het team uit Zhujun Huang, een Ph.D. student aan NYU Tandon; Abdullah Alharbi van NYU Tandon en de King Abdulaziz City for Science and Technology, Riyadh, Saudi-Arabië; en Ting Wu en Roozbeh Kiani van het NYU Center for Neural Science.