Il Grafene come biosensore
Graphene biosensors

Un biosensore è un dispositivo che misura le reazioni biologiche o chimiche creando una risposta elettrica proporzionale alla concentrazione di una particolare sostanza (o analita) all'interno di quella reazione. Sono utilizzati in una vasta gamma di settori tra cui cure mediche, indagini ambientali, controllo degli alimenti, medicina legale e ricerca.

Cosa rende un biosensore "ideale"?

Per ogni singolo tipo di biosensore, un dispositivo dalle prestazioni ottimali presenterà cinque caratteristiche, ovvero in grado di:

1. Rilevare una sostanza specifica in un campione miscelato con altri composti chimici;

2. Produrre risposte identiche all'interno di esperimenti duplicati;

3. Resistere agli effetti indesiderati di disturbi interni ed esterni come sbalzi di temperatura o degrado del bioricettore;

4. Rilevare le sostanze in concentrazioni basse come nelle scale ng / ml (o anche fg / ml);

5. Produrre una relazione in lineare tra concentrazione e risposta, un'alta risoluzione e in un intervallo sufficientemente ampio.

Figure: Sketch of GFET sensor (Reproduced from Chem. Sci., 2012,3, 1764, with permission of The Royal Society of Chemistry). 

Altri attributi fisici necessari per utilizzare un biosensore nell'ambiente reale sono portatilità e la facilità d'uso. Inoltre, se il sensore viene fornito con una sonda per il monitoraggio invasivo da parte di medici, infermieri o altri professionisti medici, la sonda deve essere sottile e biocompatibile. 

Grafene e biosensori: una combinazione perfetta

Il grafene è emerso come il nuovo "materiale prodigioso" per i biosensori grazie alle sue proprietà fisiche e chimiche uniche. Ha una conduttività elettrica dell'ordine di 1.000 siemens per metro e conduttività termiche tra 1.500 e 2.500 W/mK.

È anche il materiale più resistente mai testato, con una resistenza alla trazione intorno a 130 GPa. A titolo di confronto, il silicio ha una conduttività elettrica di 1.000 siemens per metro, una conduttività termica di 150 W/mK e una resistenza alla trazione di circa 170 MPa.

Il grafene presenta un'ampia finestra elettrochimica di circa 2,5 V in 0,1 moli per litro di soluzione salina tamponata con fosfato. Ha anche una bassa resistenza di trasferimento della carica di circa 6,5 ​​MΩ cm², il che significa che è un materiale ideale per l'uso in sensori veloci multifunzionali.

Il grafene è in grado di essere funzionalizzato mediante l'aggiunta di gruppi funzionali che ne influenzano la reattività. Se vengono aggiunti biorecettori, questo rende il grafene ideale per l'uso nei biosensori. È anche biocompatibile, perfetto per usi clinici o medici ed è economico, sicuro e relativamente facile da fabbricare.

Poiché il grafene è stato scoperto solo nel 2004, sono necessarie ulteriori ricerche per creare metodi di fabbricazione ancora migliori di quelli attuali. La scienza alla base del grafene non è ancora del tutto chiara, con ulteriori lavori richiesti in aree come il meccanismo di assorbimento delle molecole sulle superfici del grafene, l'orientamento delle biomolecole sul grafene e come queste interazioni influenzano le proprietà di trasporto del grafene. 

Cosa sono GFET e SPP?

Le qualità favorevoli del grafene hanno portato a una vasta gamma di indagini sul suo utilizzo nel biosensing. Due configurazioni particolarmente interessanti sono i transistor ad effetto di campo di grafene (GFET) e gli "enhanced surface plasmon polaritons" (SPPs).

GFETs

I GFET sono una modifica del classico transistor ad effetto di campo in silicio. Nei transistor tradizionali, il silicio agisce come un sottile canale conduttore, la cui conducibilità può essere regolata con la tensione applicata. I GFET funzionano in modo simile, dove il silicio è sostituito dal grafene. Ciò produce una regione del canale molto più sottile e sensibile.

A causa dell'ampio potenziale elettrochimico del grafene e della sua capacità di essere funzionalizzato, i GFET rappresentano un interessante dispositivo a cui le biomolecole si attaccano. A causa dell'estremo rapporto superficie-volume del grafene, anche la più piccola concentrazione di molecole attaccate cambia la conduttività del canale.

I biosensori GFET sono una buona piattaforma per rilevare un'ampia varietà di specie come enzimi, perossidi di idrogeno, dopamina e molecole di b-nicotinamide adenina dinucleotide (NADH) ridotte. 

SPP

Il grafene può anche essere usato insieme ai "surface plasmon polaritons" (SPP) su film metallici per migliorare le prestazioni del biosensore. I sensori basati su SPP utilizzano il confinamento delle onde ottiche sulla superficie dei metalli per realizzare sensori chimici e biologici di piccolo volume.

Il volume di rilevamento è dato dall'onda di superficie strettamente confinata, aumentando la sensibilità del rilevamento ottico. I metalli standard utilizzati negli SPP sono oro (Au) e argento (Ag) a causa delle loro proprietà di propagazione favorevoli. Tuttavia, l'argento si corrode rapidamente e l'oro ha scarse proprietà di adsorbimento. La stratificazione del grafene sulla parte superiore dell'oro, tuttavia, provoca un assorbimento superiore. 

Figure: SPP sensor enhanced with graphene (Reproduced from Optics Express 18, 14395 (2010) with permission from the Optical Society of America). 

 

 

Grafene: Expanded Horizons

Grazie alla sua versatilità, il grafene può essere utilizzato in una gamma di sensori oltre a GFET e SPP. In effetti, un gran numero di altri sensori potenziati con grafene sono in aumento, tra cui sensori di sistemi microelettromeccanici (MEMS), sensori di pressione, sensori di pH, sensori di contaminazione ambientale, sensori di gas, sensori di DNA e altro ancora.

Alcuni ricercatori stanno anche pensando in modo più creativo a come utilizzare il grafene nei sensori. Il centro di ricerca di scienza dei materiali AMBER presso il Trinity College di Dublino ha sperimentato l'aggiunta di grafene a stucchi e collanti con i nanocompositi risultanti che mostrano comportamenti insoliti. Il dispositivo risultante è stato un sensore altamente sensibile con fattori di misura superiori a 500 che potevano misurare qualsiasi cosa, dalla pressione sanguigna e dalle pulsazioni all'impatto delle orme di un ragno. 

Testo tradotto da https://www.graphenea.com/blogs/graphene-news/51855425-graphene-biosensors