Les biocapteurs à base de graphène pourraient inaugurer une ère de biopsie liquide, détecter les marqueurs ADN du cancer circulant dans le sang ou le sérum d'un patient. Mais les conceptions actuelles ont besoin de beaucoup d'ADN. Dans une nouvelle étude, le froissement du graphène le rend plus de dix mille fois plus sensible à l'ADN en créant des "points chauds" électriques, " ont découvert des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

Le graphène froissé pourrait être utilisé dans un large éventail d'applications de biodétection pour un diagnostic rapide, les chercheurs ont dit. Ils ont publié leurs résultats dans la revue Communication Nature .

"Ce capteur peut détecter des concentrations ultra-faibles de molécules qui sont des marqueurs de maladie, ce qui est important pour le diagnostic précoce, " a déclaré le responsable de l'étude Rashid Bashir, professeur de bio-ingénierie et doyen du Grainger College of Engineering de l'Illinois. "C'est très sensible, c'est pas cher, c'est facile à utiliser, et il utilise le graphène d'une nouvelle manière."

Alors que l'idée de rechercher des séquences cancéreuses révélatrices dans les acides nucléiques, comme l'ADN ou son cousin l'ARN, n'est pas nouveau, c'est le premier capteur électronique à détecter de très petites quantités, tels qu'ils peuvent être trouvés dans le sérum d'un patient, sans traitement supplémentaire.

"Quand tu as un cancer, certaines séquences sont surexprimées. Mais plutôt que de séquencer l'ADN de quelqu'un, qui prend beaucoup de temps et d'argent, nous pouvons détecter ces segments spécifiques qui sont des biomarqueurs du cancer dans l'ADN et l'ARN qui sont sécrétés par les tumeurs dans le sang, " a déclaré Michael Hwang, le premier auteur de l'étude et chercheur postdoctoral au Holonyak Micro and Nanotechnology Lab de l'Illinois.

Le graphène, une feuille plate de carbone d'un atome d'épaisseur, est un matériau à faible coût pour les capteurs électroniques. Cependant, Les capteurs d'acide nucléique développés jusqu'à présent nécessitent un processus appelé amplification :isoler un fragment d'ADN ou d'ARN et le copier plusieurs fois dans un tube à essai. Ce processus est long et peut introduire des erreurs. Le groupe de Bashir a donc entrepris d'augmenter le pouvoir de détection du graphène au point de pouvoir tester un échantillon sans d'abord amplifier l'ADN.

De nombreuses autres approches pour augmenter les propriétés électroniques du graphène ont impliqué des structures nanométriques soigneusement conçues. Plutôt que de fabriquer des structures spéciales, le groupe de l'Illinois a simplement étiré une fine feuille de plastique, posé le graphène dessus, puis relâché la tension dans le plastique, provoquant le froissement du graphène et la formation d'une surface froissée.

Ils ont testé la capacité du graphène froissé à détecter l'ADN et un microARN lié au cancer à la fois dans une solution tampon et dans du sérum humain non dilué, et a vu les performances s'améliorer des dizaines de milliers de fois par rapport au graphène plat.

"Il s'agit de la sensibilité la plus élevée jamais rapportée pour la détection électrique d'une biomolécule. Avant, nous aurions besoin de dizaines de milliers de molécules dans un échantillon pour le détecter. Avec cet appareil, nous pouvions détecter un signal avec seulement quelques molécules, " a déclaré Hwang. "Je m'attendais à voir une certaine amélioration de la sensibilité, mais pas comme ça."

Pour déterminer la raison de cette augmentation de la puissance de détection, Le professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie Narayana Aluru et son groupe de recherche ont utilisé des simulations informatiques détaillées pour étudier les propriétés électriques du graphène froissé et comment l'ADN interagissait physiquement avec la surface du capteur.

Ils ont découvert que les cavités servaient de points chauds électriques, agissant comme un piège pour attirer et retenir les molécules d'ADN et d'ARN.

"Lorsque vous froissez le graphène et créez ces régions concaves, la molécule d'ADN s'insère dans les courbes et les cavités de la surface, donc une plus grande partie de la molécule interagit avec le graphène et nous pouvons le détecter, " a déclaré l'étudiant diplômé Mohammad Heiranian, un co-premier auteur de l'étude. "Mais quand vous avez une surface plane, d'autres ions dans la solution aiment la surface plus que l'ADN, donc l'ADN n'interagit pas beaucoup avec le graphène et nous ne pouvons pas le détecter."

En outre, le froissement du graphène a créé une contrainte dans le matériau qui a modifié ses propriétés électriques, induisant une bande interdite - une barrière énergétique que les électrons doivent surmonter pour traverser le matériau - qui le rendait plus sensible aux charges électriques sur les molécules d'ADN et d'ARN.

"Ce potentiel de bande interdite montre que le graphène froissé pourrait également être utilisé pour d'autres applications, tels que les nanocircuits, diodes ou électronique flexible, " a déclaré Amir Taqieddin, un étudiant diplômé et co-auteur de l'article.

Même si l'ADN a été utilisé dans la première démonstration de la sensibilité du graphène froissé pour les molécules biologiques, le nouveau capteur pourrait être réglé pour détecter une grande variété de biomarqueurs cibles. Le groupe de Bashir teste également le graphène froissé dans des capteurs pour les protéines et les petites molécules.

"À terme, l'objectif serait de fabriquer des cartouches pour un appareil portable qui détecterait des molécules cibles dans quelques gouttes de sang, par exemple, dans la manière dont la glycémie est surveillée, " a déclaré Bashir. " La vision est d'avoir des mesures rapidement et dans un format portable. "