El grafeno como detector de nanomoléculas

Haciendo oscilar los electrones de grafeno en distintas direcciones es posible “leer” las vibraciones de la molécula en su superficie

Un sensor de moléculas sintonizable y altamente sensible basado en grafeno

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Investigadores del EPFL e ICFO han desarrollado un sensor reconfigurable, fabricado a partir de grafeno, para detectar nanomoléculas como proteínas y fármacos. El dispositivo explota las propiedades ópticas y electrónicas del grafeno.

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ICFO / Muchas áreas de investigación básica y fundamental están interesadas por el grafeno debido a sus características excepcionales. Fabricado a partir de una capa de átomos de carbono, haciéndolo más ligero y robusto, goza de una excepcional conductividad térmica y eléctrica. Sus características únicas lo hacen potencialmente apto para aplicaciones en muchos campos.

Científicos del EPFL’s Bionanophotonic Systems Laboratory (BIOS), conjuntamente con investigadores del ICFO-Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona, han podido captar propiedades ópticas únicas del grafeno para desarrollar un sensor de moléculas altamente sensible y reconfigurable. Los resultados se describen en un artículo científico de la última edición de la revista Science.

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Focalizando luz para mejorar la detección

Los investigadores utilizaron grafeno para mejorar el ya muy conocido método de detección molecular: la espectroscopia de absorción infrarroja. En el método convencional, la luz se usa para excitar moléculas que vibran de diferente manera según su naturaleza. Puede compararse con la cuerda de una guitarra, que produce distintos sonidos en función de su longitud. Gracias a esta característica de la vibración, las moléculas revelan su presencia y su identidad. Esta “firma” puede ser “leída” en la luz reflejada. No obstante, este método no es efectivo en la detección de moléculas de tamaño nanométrico. La longitud de onda de los fotones infrarrojos orientados a una molécula está alrededor de 6 micrones (6.000 nanómetros), mientras que el objeto a medir tiene unos pocos nanómetros, convirtiendo en un gran reto la detección de la vibración de una molécula tan pequeña en la luz reflejada.

El grafeno es capaz de focalizar luz en un punto específico de la superficie y “escuchar” las vibraciones de una molécula nanométrica adjunta

Aquí es donde el grafeno entra en juego. Dada una geometría correcta, el grafeno es capaz de focalizar luz en un punto específico de la superficie y “escuchar” las vibraciones de una molécula nanométrica adjunta. En este estudio, los investigadores modelaron nanoestructuras en la superficie del grafeno bombardeándolas con pulsos de electrones que empezaban a oscilar. Fue entonces posible detectar componentes nanométricos en la proximidad de la superficie.

Desde el ICFO, y centrándose en futuras aplicaciones industriales del nuevo sensor, el Prof. Valerio Pruneri ha comentado que “el concepto puede ser usado en distintos campos de aplicaciones, desde un escape de gas pasando por la detección de gases tóxicos y explosivos o los contaminantes en el agua, hasta el ADN y las proteínas”. Esto se debe a que el grafeno es un material inerte para los elementos que queremos detectar y el mecanismo de lectura usa luz que esta libre de cualquier interferencia”. “La belleza de este material radica en la simplicidad de su estructura, que se traduce en una sencilla reacción electro-óptica”, añade el Prof. Javier García de Abajo ha contribuido al estudio demostrando de forma teórica su comportamiento.

Reconfigurando el grafeno en tiempo real para ver la estructura de la molécula

Además de identificar la presencia de moléculas nanométricas, este proceso puede revelar también la naturaleza de los enlaces entre los átomos que constituyen la molécula. El grafeno es también capaz de recoger los sonidos de cada uno de los segmentos que unen las moléculas porque también es capaz de identificar un completo rango de frecuencias. Los investigadores “sintonizaron” el grafeno aplicando un voltaje, algo que no es posible con los sensores actuales. Haciendo oscilar los electrones de grafeno en distintas direcciones es posible “leer” las vibraciones de la molécula en su superficie.

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Un gran avance hacia el uso del grafeno para la detección de moléculas

El nuevo proceso basado en grafeno representa un gran avance para los científicos debido a distantas razones. Primero, el método muestra que es posible llevar a cabo un análisis complejo utilizando un solo dispositivo, mientras que normalmente son necesarios varios de ellos. Y todo sin estresar o modificar una muestra biológica. En segundo lugar, demuestra las grandes capacidades del grafeno en el área de detección.

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Referencia:

Daniel Rodrigo, Odeta Limaj, Davide Janner, Dordaneh Etezadi, F. Javier García De Abajo, Valerio Pruneri, Hatice Altug Mid-Infrared Plasmonic Biosensing With Graphene, Science

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