石墨烯納米鑷子可以抓住單個生物分子

明尼蘇達大學科學與工程學院的研究人員發現了奇跡材料石墨烯的另一個顯著用途 - 微型電子“鑷子”可以抓住漂浮在水中的生物分子，具有令人難以置信的效率。這種能力可以帶來革命性的手持式疾病診斷系統，可以在智能手機上運行。

石墨烯是一種由單層碳原子構成的材料，十多年前就已被發現，并且已經吸引了眾多研究人員，他們在微電子技術和太陽能電池等許多新應用中都具有驚人的性能。

與過去使用的其他技術相比，明尼蘇達大學開發的石墨烯鑷子在捕獲顆粒方面更有效，因為石墨烯是單個原子厚度，小于十億分之一米。

這項研究發表于今天發表在納米材料和設備領域的領先期刊Nature Communications上。

世界上最尖銳的鑷子

鑷子或捕獲納米級物體的物理原理，稱為介電電泳，已知很長時間，并且通常通過使用一對金屬電極來實施。然而，從抓取分子的觀點來看，金屬電極非常鈍。他們只是缺乏拾取和控制納米級物體的“銳度”。

“石墨烯是迄今為止發現的最薄的材料，正是這種特性使我們能夠使這些鑷子如此高效。沒有其他材料可以接近，”研究小組負責人Sang-Hyun Oh說，他是大學的Sanford P. Bordeau教授明尼蘇達州電氣和計算機工程系。“為了制造高效的電子鑷子來抓住生物分子，基本上我們需要制造小型化的避雷針，并在鋒利的尖端上集中大量的電通量。石墨烯的邊緣是最鋒利的避雷針。”

該團隊還表明，石墨烯鑷子可以通過捕獲半導體納米晶體，納米金剛石顆粒甚至DNA分子，用于廣泛的物理和生物應用。通常這種類型的捕獲需要高電壓，將其限制在實驗室環境中，但石墨烯鑷子可以捕獲大約1伏的小DNA分子，這意味著這可以在移動電話等便攜式設備上運行。

在明尼蘇達州納米中心使用明尼蘇達大學最先進的納米加工設施，電氣和計算機工程Steven Koester教授的團隊通過創建一種夾層結構制造了石墨烯鑷子，其中一種薄的絕緣材料稱二氧化鉿夾在金屬之間一側是電極，另一側是石墨烯。二氧化鉿是一種常用于當今先進微芯片的材料。

“石墨烯的一大優勢在于它與半導體行業的標準加工工具兼容，這將使未來商業化這些器件變得更加容易，”負責制造石墨烯器件的Koester說道。

“由于我們是第一個使用石墨烯鑷子展示這種低功率生物分子捕獲的人，因此仍然需要做更多的工作來確定完全優化設備的理論極限，”明尼蘇達大學電氣和計算機工程學院的Avijit Barik說。研究生和研究的主要作者。“對于這次初步演示，我們使用了復雜的實驗室工具，如熒光顯微鏡和電子儀器。我們的最終目標是將整個設備小型化為由手機操作的單個微芯片。”

可以'感覺'的鑷子

將石墨烯鑷子與金屬基器件分開的這項技術的另一個令人興奮的前景是石墨烯也能“感覺”被困的生物分子。換句話說，鑷子可以用作具有精確靈敏度的生物傳感器，可以使用簡單的電子技術顯示。

“石墨烯是一種極其通用的材料，”科斯特說。“它制造出優秀的晶體管和光電探測器，具有發光和其他新型生物傳感器設備的潛力。通過增加快速抓取和感應石墨烯分子的能力，我們可以為新型手持設備設計理想的低功耗電子平臺生物傳感器“。

哦同意可能性是無窮無盡的。

“除石墨烯外，我們還可以利用各種其他二維材料制造原子級銳利的鑷子，結合不尋常的光學或電子特性，”哦。“想到可以用來以電子方式捕獲，感知和釋放生物分子的原子級尖銳鑷子真的很令人興奮。這可能具有極大的潛在的醫療點診斷功能，這是我們這個強大設備的最終目標。”

除了Oh，Koester和Barik之外，該團隊的其他研究人員還包括明尼蘇達大學電氣與計算機工程系助理教授Tony Low，研究生姚章，博士后研究員Roberto Grassi，以及Joshua Edel教授和研究助理。來自倫敦帝國理工學院的Binoy Paulose Nadappuram。