(Phys.org)—L'une des plus grandes promesses de la nanotechnologie est d'interagir avec le monde biologique comme le font nos propres cellules, mais les biocapteurs actuels doivent être adaptés pour détecter la présence d'un type de protéine, dont l'identité doit être connue à l'avance.

Les ingénieurs de l'Université de Pennsylvanie ont maintenant conçu un nouveau type de biocapteur à base de graphène qui fonctionne de trois manières à la fois. Parce que les protéines déclenchent trois types de signaux différents, le capteur peut trianguler ces informations pour produire des résultats plus sensibles et précis. En tirant parti de l'intégration unique de plusieurs modes de détection physique sur la même puce, ce dispositif de capteur peut étendre la plage de détection de la concentration en protéines d'un millier de fois.

Cette gamme étendue pourrait être particulièrement utile dans le diagnostic précoce de certains cancers, où la concentration de biomarqueur sanguin varie par ordre de grandeur d'un patient à l'autre. La possibilité d'effectuer plusieurs détections du même biomarqueur sur la même puce a également le potentiel de réduire les faux positifs et négatifs dans les tests de diagnostic médical.

Finalement, une telle technique pourrait être utilisée dans un biocapteur tout usage, qui pourrait identifier une large gamme de protéines par leur masse, ainsi que leurs propriétés optiques et électriques.

Un biocapteur qui n'aurait pas besoin d'être affiné pour détecter uniquement des protéines spécifiques aurait une multitude d'applications biomédicales dans les dispositifs de diagnostic.

L'étude, publié dans la revue Lettres nano , a été dirigé par Ertugrul Cubukcu, professeur adjoint dans les départements de science et génie des matériaux et de génie électrique et des systèmes de la Penn's School of Engineering and Applied Science, et les membres de son laboratoire, Alexandre Y. Zhu, Fei Yi, Jason C. Reed et Hai Zhu.

"Dans un biocapteur monomode typique, vous avez deux protéines qui interagissent fortement. Vous attachez la protéine A à votre capteur et, lorsque la protéine B s'y lie, le capteur convertit cette liaison en une sorte de signal électrique, " Cubukcu a dit, " Mais c'est un peu un capteur stupide en ce sens qu'il ne peut que vous dire si ce genre de liaison s'est produit.

"Mais disons que vous avez des protéines A, B, C et D, tous avec des propriétés physiques différentes, comme la charge et la masse. Si vous aviez un capteur sensible à plusieurs de ces propriétés, vous pourriez faire la différence entre ces événements de liaison sans commencer par les protéines correspondantes pour chacun d'eux. »

Les modes les plus sensibles fonctionnant à la fois, mieux un capteur distingue des protéines similaires. Les protéines A et B peuvent avoir la même masse mais des charges différentes, tandis que les protéines B et C ont les mêmes charges mais des propriétés optiques différentes.

Un capteur multimodal, extraire des données de plusieurs catégories, pourrait restreindre l'identité d'une protéine en comparant ces valeurs à une grande base de données. Une telle capacité pourrait potentiellement lui permettre d'être appliquée à des échantillons où le contenu de la protéine est inconnu, une mise à niveau majeure de la technologie actuelle qui implique généralement la fabrication de capteurs personnalisés pour détecter la présence d'ensembles prédéfinis de protéines.

Les capteurs de l'équipe sont constitués d'une base de nitrure de silicium, recouvert d'une couche de graphène, un réseau d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un seul atome. Être à base de carbone signifie que le graphène est une surface de liaison attrayante pour les protéines, ce qui signifie que l'appareil n'a pas besoin d'être « fonctionnalisé » avec des protéines susceptibles d'interagir avec celles que le capteur vise à détecter.

L'extrême finesse et les propriétés électriques uniques du graphène permettent également la mécanique, modes électriques et optiques pour fonctionner simultanément sans interférer les uns avec les autres.

"En mode mécanique, le graphène est comme la peau d'un tambour, " a déclaré Alexandre Zhu, le premier auteur de l'étude, qui était alors un étudiant de premier cycle travaillant dans le laboratoire de Cubukcu. "Comme les protéines se lient, la masse totale change et la résonance du tambour change en fonction de la masse totale.

"En mode électrique, nous pouvons regarder comment les électrons se déplacent à travers le graphène. La conductance est fonction du nombre total de porteurs disponibles à l'intérieur, donc, si vous avez quelque chose qui se lie au graphène, qui modifie le nombre de porteurs et donc les propriétés de conductance.

"Finalement, en mode optique, nous avons une source de lumière visible et la braquons sur le capteur et mesurons la réflexion. Quand rien n'est lié, c'est voir juste de l'air, mais, dès que les protéines se lient, nous pouvons mesurer le changement de l'indice de réfraction."

Dans leur étude, les chercheurs ont testé leur capteur avec des échantillons connus de protéines afin de démontrer que les trois modes peuvent fonctionner simultanément.

"Nous avons montré qu'un échantillon fournit les trois quarts de travail, " Yi a dit, "dans la masse, lectures électriques et optiques."

D'autres travaux du groupe de Cubukcu étudieront la faisabilité d'utiliser ce capteur multimodal pour identifier des protéines à partir d'échantillons inconnus.