通过病人血液或血清的DNA癌症标记物可能通过基于石墨烯的生物传感器检测到，这可能会导致一段时间的液体活检。相反，在当今的设计中需要大量的DNA。
伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的科学家进行了一项新研究，发现将石墨烯压碎后，会产生电子“热点”，使其对DNA的敏感度提高1万倍以上。
科学家们表示，褶皱石墨烯可用于多种生物传感应用，以实现快速诊断。研究人员在《自然通讯》杂志上发表了他们的研究结果。
这种传感器可以检测到作为疾病标记的超低浓度分子，这对早期诊断很重要。它非常灵敏，成本低，使用方便，而且以一种新的方式使用石墨烯。
拉希德·巴希尔，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校生物工程学教授
巴希尔还是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Grainger工程学院的院长。
虽然在核酸(如DNA或它的近亲RNA)中寻找癌症序列的迹象的概念并不新鲜，但这是第一个可以识别微量癌症序列的电子传感器，就像那些可能在患者血清中发现的序列一样，不需要额外的处理。
当你患了癌症，某些序列会过度表达。但是我们不需要花费大量的时间和金钱来对某人的DNA进行测序，我们可以检测出那些特定的片段，它们是DNA和RNA中的癌症生物标记，从肿瘤中分泌到血液中。
Michael Hwang，本研究第一作者和博士后研究员，Holonyak微纳米技术实验室，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校
石墨烯是一种测量一个原子厚度的扁平碳片。这是一种低成本和著名的材料，用于电子传感器。但是到目前为止设计的核酸传感器需要一个被称为扩增的过程，在这个过程中，一个RNA或DNA片段被分离出来，并在试管中复制几次。但这一过程耗时较长，容易出错。
因此，Bashir的团队着手提高石墨烯的传感能力，使样品无需直接放大DNA就可以进行测试。
其他几种提高石墨烯电子性能的方法都采用了精心设计的纳米级结构。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的研究团队并没有制造出独特的结构，只是将一张薄薄的塑料片展开，然后将石墨烯覆盖在上面，最后释放出塑料中的张力。这导致石墨烯卷曲并发展成一个皱巴巴的表面。
然后，研究人员测试了褶皱石墨烯在缓冲溶液和未稀释的人类血清中检测DNA和与癌症相关的microRNA的能力。研究小组观察到，与扁平石墨烯相比，这种褶皱石墨烯的性能提高了数万倍。
“这是迄今为止报道的对生物分子电检测的最高灵敏度。在此之前，我们需要样本中成千上万的分子来检测它。有了这个装置，我们可以检测到只有几个分子的信号。”“我原以为灵敏度会有所提高，但没想到会是这样。”
为了找出感知能力增强的原因，机械科学与工程教授纳拉亚纳·阿鲁鲁(Narayana Aluru)和他的研究团队利用全面的计算机模拟来分析褶皱石墨烯的电学特性，以及DNA如何与传感器表面进行物理通信。
研究小组发现，褶皱石墨烯中的空洞表现为电热点，同时充当了一个陷阱，拉出并保留RNA和DNA分子。
该研究的第一作者之一、研究生Mohammad heiran说:“当你将石墨烯揉皱并形成这些凹区时，DNA分子就会与石墨烯表面的曲线和空洞相吻合，这样更多的分子与石墨烯相互作用，我们就能检测到它。”“但当你有一个平坦的表面时，溶液中的其他离子更喜欢这个表面，而不是DNA，因此DNA与石墨烯的相互作用不大，我们无法检测到它。”
此外，当石墨烯被压皱时，在材料中产生的应变改变了它的电学性质，并产生了带隙——电子通过材料时必须克服的能量障碍。这种带隙使褶皱石墨烯对RNA和DNA分子上的电荷反应更灵敏。
这种带隙电势表明，褶皱石墨烯也可以用于其他应用，如纳米电路、二极管或柔性电子器件。
Amir Taqieddin，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究合著者和研究生
虽然DNA被用于生物分子的折叠石墨烯敏感性的初步演示，但最新的传感器可以用于检测广泛的目标生物标志物。巴希尔的研究团队目前正在对传感器中褶皱的石墨烯进行小分子和蛋白质的测试。
“最终的目标将是为一种手持设备制造墨盒，这种设备可以检测几滴血液中的目标分子，例如，通过监测血糖的方式。”我们的愿景是用一种便携的格式快速测量数据。”Bashir总结道。
这项研究由国家科学基金会通过伊利诺伊州材料研究科学与工程中心提供资金支持。Aluru和Bashir还隶属于贝克曼先进科学技术研究所和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料研究实验室。
