Vingerafdrukken van biomoleculen met behulp van geluid

Een team van onderzoekers van het Instituut voor Opto-elektronische Systemen en Microtechnologie van de Universidad Politécnica de Madrid (UPM) heeft een biosensor ontworpen die eiwitten en peptiden kan identificeren in hoeveelheden zo laag als een enkele monolaag. Daarvoor wordt met een geïntegreerde transducer een oppervlakte-akoestische golf (SAW), een soort elektrisch gestuurde nano-aardbeving op een chip, gegenereerd die inwerkt op een stapel 2D-materialen die zijn bedekt met de te detecteren biomoleculen.

Zoals zij rapport in het journaal Biosensoren en bio-elektronica in een artikel getiteld “Surface-acoustic-wave-driven graphene plasmonic sensor for Fingerprinting ultrathin biolayers down to the monolayer limit”, zou de SAW het oppervlak van een op grafeen gebaseerde stapel zo doen golven dat het midden-infraroodlicht beperkt tot zeer kleine volumes, waardoor de interacties tussen licht en materie op nanoschaal worden verbeterd.

In het bijzonder worden quasideeltjes die deels licht (fotonen) en deels materie (elektronen en roostervibraties) zijn, oppervlakte-plasmon-fonon-polaritonen genoemd, gevormd op de gegolfde stapel die een sterke wisselwerking heeft met de moleculen erboven.

Organische moleculen absorberen bepaalde golflengten van licht in het midden-infraroodbereik die kenmerkend zijn voor hun chemische samenstelling en structuur. Daarom maakt deze reeks absorptieresonanties, hun vibratievingerafdruk genoemd, de identificatie van de organische verbinding mogelijk.

“Door de interactie tussen licht en biomoleculen die bovenop de sensor worden afgezet te versterken, zouden we analyten kunnen identificeren die kleinere hoeveelheden nodig hebben, en niveaus kunnen bereiken die zo laag zijn als een enkele monolaag”, zegt Raúl Izquierdo, eerste auteur van deze studie.

Volgens Jorge Pedrós, leidend wetenschapper van het onderzoek: “Een voordeel van dit mechanisme is dat SAW’s actief worden bestuurd via een hoogfrequente spanning, waardoor gemakkelijk kan worden geschakeld tussen een AAN-configuratie, waarbij de interactie wordt vergroot, en een UIT-configuratie. zonder enige verbetering van het signaal. Dit meetschema verhoogt de sensorresolutie.”

“Naast het ontwerp van de sensor en de berekeningen van de prestaties ervan, bieden we ook een wiskundige methode om ogenschijnlijk verborgen kwantitatieve informatie te extraheren, waardoor de gevoeligheid van de sensor verder toeneemt”, zegt Izquierdo.

Daarvoor worden de moleculen van de analyt en de oppervlakte-plasmon-fonon-polaritonen gemodelleerd als oscillatoren die met elkaar interageren, terwijl beide worden aangedreven door een externe kracht (licht dat op de sensor valt). Ondanks zijn eenvoud blijkt dit model de resultaten van de berekeningen mooi te reproduceren.

Tot slot zegt Pedrós: “We hebben er vertrouwen in dat deze studie zal bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe lab-on-chip-apparaten, waarbij de chemische vingerafdrukmogelijkheden van deze nieuwe, door SAW aangedreven biosensor worden gecombineerd met andere akoestische functionaliteiten zoals op SAW gebaseerde massadetectie. of het stromen en mengen van druppels in microfluïdische circuits.”

Dit verhaal maakt deel uit van Wetenschap X-dialoogwaar onderzoekers bevindingen uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen kunnen rapporteren. Bezoek deze pagina voor informatie over ScienceX Dialog en hoe u kunt deelnemen.