Des chercheurs du Collège des sciences et de l'ingénierie de l'Université du Minnesota ont mis au point un nouvel appareil unique utilisant le matériau miracle, le graphène, qui constitue la première étape vers des biocapteurs ultrasensibles pour détecter les maladies au niveau moléculaire avec une efficacité presque parfaite.

Des biocapteurs ultrasensibles pour sonder les structures des protéines pourraient considérablement améliorer la profondeur du diagnostic pour une grande variété de maladies s'étendant à la fois aux humains et aux animaux. Il s'agit notamment de la maladie d'Alzheimer, Maladie débilitante chronique, et la maladie de la vache folle - troubles liés au mauvais repliement des protéines. De tels biocapteurs pourraient également conduire à des technologies améliorées pour le développement de nouveaux composés pharmaceutiques.

La recherche est publiée dans Nature Nanotechnologie , une revue scientifique à comité de lecture publiée par Nature Publishing Group.

« Afin de détecter et de traiter de nombreuses maladies, nous devons détecter des molécules de protéines en très petites quantités et comprendre leur structure, " dit Sang-Hyun Oh, Professeur de génie électrique et informatique à l'Université du Minnesota et chercheur principal de l'étude. "Actuellement, ce processus présente de nombreux défis techniques. Nous espérons que notre appareil utilisant du graphène et un processus de fabrication unique fournira la recherche fondamentale qui pourra aider à surmonter ces défis. »

Graphène, un matériau constitué d'une seule couche d'atomes de carbone, a été découvert il y a plus d'une décennie. Il a captivé les chercheurs avec sa gamme de propriétés étonnantes qui ont trouvé des utilisations dans de nombreuses nouvelles applications, y compris la création de meilleurs capteurs pour détecter les maladies.

Des tentatives importantes ont été faites pour améliorer les biocapteurs utilisant le graphène, mais le défi existe avec sa remarquable épaisseur d'atome unique. Cela signifie qu'il n'interagit pas efficacement avec la lumière lorsqu'il la traverse. L'absorption de la lumière et la conversion en champs électriques locaux sont essentielles pour détecter de petites quantités de molécules lors du diagnostic de maladies. Des recherches antérieures utilisant des nanostructures de graphène similaires n'ont démontré qu'un taux d'absorption de la lumière inférieur à 10 %.

Dans cette nouvelle étude, Des chercheurs de l'Université du Minnesota ont combiné du graphène avec des rubans métalliques d'or de taille nanométrique. En utilisant du ruban adhésif et une technique de nanofabrication de haute technologie développée à l'Université du Minnesota, appelé "décapage de gabarit, " les chercheurs ont pu créer une surface de couche de base ultra-plate pour le graphène.

Ils ont ensuite utilisé l'énergie de la lumière pour générer un mouvement de ballottement d'électrons dans le graphène, appelés plasmons, qui peuvent être considérés comme des ondulations ou des vagues se propageant à travers une "mer" d'électrons. De la même manière, ces ondes peuvent augmenter en intensité jusqu'à des « raz-de-marée » géants de champs électriques locaux basés sur la conception intelligente des chercheurs.

En éclairant le dispositif à couche de graphène à un seul atome d'épaisseur, ils ont été capables de créer une onde plasmon avec une efficacité sans précédent à une absorption de lumière presque parfaite de 94 pour cent dans des « ondes de marée » de champ électrique. Lorsqu'ils ont inséré des molécules de protéines entre le graphène et les rubans métalliques, ils ont pu exploiter suffisamment d'énergie pour visualiser des couches uniques de molécules de protéines.

"Nos simulations informatiques ont montré que cette nouvelle approche fonctionnerait, mais nous avons quand même été un peu surpris lorsque nous avons atteint l'absorption lumineuse de 94 % dans de vrais appareils, " a dit Oh, qui détient la chaire Sanford P. Bordeau en génie électrique à l'Université du Minnesota. "Réaliser un idéal à partir d'une simulation informatique comporte tellement de défis. Tout doit être de si haute qualité et atomiquement plat. Le fait que nous puissions obtenir un si bon accord entre la théorie et l'expérience était assez surprenant et excitant."