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  明尼苏达大学科学与工程学院的研究人员发现了奇迹材料石墨烯的另一个显着用途 - 微型电子“镊子”可以抓住漂浮在水中的生物分子,具有令人难以置信的效率。这种能力可以带来革命性的手持式疾病诊断系统,可以在智能手机上运行。

  石墨烯是一种由单层碳原子构成的材料,十多年前就已被发现,并且已经吸引了众多研究人员,他们在微电子技术和太阳能电池等许多新应用中都具有惊人的性能。

  与过去使用的其他技术相比,明尼苏达大学开发的石墨烯镊子在捕获颗粒方面更有效,因为石墨烯是单个原子厚度,小于十亿分之一米。

  这项研究发表于今天发表在纳米材料和设备领域的领先期刊Nature Communications上。

  镊子或捕获纳米级物体的物理原理,称为介电电泳,已知很长时间,并且通常通过使用一对金属电极来实施。然而,从抓取分子的观点来看,金属电极非常钝。他们只是缺乏拾取和控制纳米级物体的“锐度”。

  “石墨烯是迄今为止发现的最薄的材料,正是这种特性使我们能够使这些镊子如此高效。没有其他材料可以接近,”研究小组负责人Sang-Hyun Oh说,他是大学的Sanford P. Bordeau教授明尼苏达州电气和计算机工程系。“为了制造高效的电子镊子来抓住生物分子,基本上我们需要制造小型化的避雷针,并在锋利的尖端上集中大量的电通量。石墨烯的边缘是最锋利的避雷针。”

  该团队还表明,石墨烯镊子可以通过捕获半导体纳米晶体,纳米金刚石颗粒甚至DNA分子,用于广泛的物理和生物应用。通常这种类型的捕获需要高电压,将其限制在实验室环境中,但石墨烯镊子可以捕获大约1伏的小DNA分子,这意味着这可以在移动电话等便携式设备上运行。

  在明尼苏达州纳米中心使用明尼苏达大学最先进的纳米加工设施,电气和计算机工程Steven Koester教授的团队通过创建一种夹层结构制造了石墨烯镊子,其中一种薄的绝缘材料称二氧化铪夹在金属之间一侧是电极,另一侧是石墨烯。二氧化铪是一种常用于当今先进微芯片的材料。

  “石墨烯的一大优势在于它与半导体行业的标准加工工具兼容,这将使未来商业化这些器件变得更加容易,”负责制造石墨烯器件的Koester说道。

  “由于我们是第一个使用石墨烯镊子展示这种低功率生物分子捕获的人,因此仍然需要做更多的工作来确定完全优化设备的理论极限,”明尼苏达大学电气和计算机工程学院的Avijit Barik说。研究生和研究的主要作者。“对于这次初步演示,我们使用了复杂的实验室工具,如荧光显微镜和电子仪器。我们的最终目标是将整个设备小型化为由手机操作的单个微芯片。”

  将石墨烯镊子与金属基器件分开的这项技术的另一个令人兴奋的前景是石墨烯也能“感觉”被困的生物分子。换句话说,镊子可以用作具有精确灵敏度的生物传感器,可以使用简单的电子技术显示。

  “石墨烯是一种极其通用的材料,”科斯特说。“它制造出优秀的晶体管和光电探测器,具有发光和其他新型生物传感器设备的潜力。通过增加快速抓取和感应石墨烯分子的能力,我们可以为新型手持设备设计理想的低功耗电子平台生物传感器“。

  “除石墨烯外,我们还可以利用各种其他二维材料制造原子级锐利的镊子,结合不寻常的光学或电子特性,”哦。“想到可以用来以电子方式捕获,感知和释放生物分子的原子级尖锐镊子真的很令人兴奋。这可能具有极大的潜在的医疗点诊断功能,这是我们这个强大设备的最终目标。”

  除了Oh,Koester和Barik之外,该团队的其他研究人员还包括明尼苏达大学电气与计算机工程系助理教授Tony Low,研究生姚章,博士后研究员Roberto Grassi,以及Joshua Edel教授和研究助理。来自伦敦帝国理工学院的Binoy Paulose Nadappuram。

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