Nanotechnologia

W czasopiśmie Biosensors and Bioelectronics ukazał się artykuł dotyczący trójwymiarowej porowatej siatki z grafenu, która po osadzeniu na niej białek (np. enzymów) może służyć jako ultraczuła matryca w bioczujnikach [1].

Równomierne rozmieszczenie białek na powierzchni elektrod jest istotnym krokiem podczas wytwarzania biomateriałów, gdyż zwiększa wydajność urządzeń np. czujników glukozy. Zwykle używa się lepkich polimerów, które służą jako „klej” przy adhezji białek. Ta metoda utrudnia jednak kontrolę nad ilością i miejscem osadzanych cząsteczek.

Naukowcy z Nanjing Tech University w Chinach opracowali metodę pozwalającą na jednorodne osadzanie cząsteczek białkowych na powierzchni grafenu z licznymi wgłębieniami. W tym celu na płytkę wykonaną ze złota naniesiono sferyczne cząstki polistyrenu (PS) o promieniu 500 nm. Płytka została umieszczona w wodzie z dodatkiem kilku kropel surfaktantu (środka powierzchniowo-czynnego) w celu wytworzenia pojedynczej warstwy „kulek” polistyrenu. Aby wzmocnić połączenie ziaren z powierzchnią złotej elektrody całość suszono w 80°C.

W następnym etapie do etanolu dodano proszek grafenowy i poddano go działaniu ultradźwięków, które rozbiły płatki grafenu na mniejsze. Grafen został zmodyfikowany grupami tiolowymi (-SH), które są znane z wysokiego powinowactwa do złota i łączą się z nim za pomocą stabilnych wiązań [2]. W tak otrzymaną zawiesinę pionowo zanurzono przygotowaną wcześniej złotą płytkę z kulkami PS. Utrzymywano temperaturę 60°C oraz mieszano magnetycznie, by rozprowadzić grafen równomiernie. W wyniku tego procesu grafen osadzał się na powierzchni złota, a z czasem dobudowywał się do całej struktury, otaczając polimerowe kulki. Proces został zahamowany, gdy ilość warstw grafenu „przykryła” powierzchnię kulki do połowy. Opisane powyżej procesy przedstawiono na rysunku poniżej.

Po zastosowaniu toluenu polistyrenowe kulki zostały usunięte, ukazując płaszczyznę o grubości ok. 500 nm złożoną z płatków grafenu z półsferycznymi wgłębieniami. Do takiej struktury przyłączono następnie różne enzymy tj. oksydaza glukozy, surowicza albumina wołowa (BSA) czy oksydaza mleczanowa.

Dzięki zastosowaniu elektrody o unikalnej strukturze, pokrytej grafenem autorom udało się osadzić równomiernie na jej powierzchni cząsteczki białka. Dzięki temu czułość takiego układu została zwiększona ponad trzykrotnie z powodu usprawnienia przepływu elektronów między centrum aktywnym enzymu, a powierzchnią elektrody.

Źródła:

[1] Z. Chu et al. 3D graphene nano-grid as a homogeneous protein distributor for ultrasensitive biosensors . Biosensors and Bioelectronics 61 (2014) 422–428

[2] Häkkinen. The gold–sulfur interface at the nanoscale. Nature Chemistry 4 (2012) 443-455