《在柔性基板上制造预弯曲的MoS2生物传感器》

  • 来源专题:纳米科技
  • 编译者: 郭文姣
  • 发布时间:2017-10-20
  • 许多活体生物传感应用需要灵活的生物传感器。在这些应用中,灵活的生物传感器需要被正式地附着在生物体的曲面上,并在各种压力条件下进行操作。新兴半导体层(如。MoS2和WSe2)是制造超灵敏的柔性纳米电子生物传感器的很有吸引力的材料。然而,这样的生物传感器也对外界的压力和压力很敏感,并且很容易造成错误的读数或损坏。为了解决这一难题,作者们利用一种基于牺牲的结构辅助的纳米技术,在柔软的基板上制造了预弯曲的MoS2结构。该方法允许精确控制弯曲曲率和预弯MoS2结构的位置。有限元分析结果表明,由于基板的应变条件相同,从基板上转移到这种预弯MoS2结构的应变比转移到平面的MoS2结构要小1000倍。对前弯曲的MoS2电阻生物传感器的电导测量结果也与仿真结果一致。具体来说,当预弯曲的生物传感器被基质弯曲到0.1/毫米时,电导的相对变化在10%以内,而控制(扁平的)MoS2的生物传感器则表现出了更大的电导变化,甚至在0.08/mm的曲率下被永久地破坏了。作者能够实现prebent二硫化钼生物传感器检测限制低至10∼femtomolar(fM)和高灵敏度(−1.3% / fM)femtomolar-level白介素1测试版(IL-1β)浓度和展示他们使用IL-1β检测/量化。这些生物传感器可用于快速飞飞的il-1量化,其总潜伏期为20分钟。它们还支持对绑定动力学的时间依赖性监测。这项工作利用现有的技术和科学应用,使基于新兴分层半导体的灵活的可穿戴生物传感设备。

    ——文章发布于2017年10月

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  • 《基于石墨烯的生物传感器可以检测DNA癌症标记物》

    • 来源专题:纳米科技
    • 编译者:郭文姣
    • 发布时间:2020-03-31
    • 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。
  • 《工程师们为植物制造可穿戴传感器,以测量农作物的用水量。》

    • 来源专题:纳米科技
    • 编译者:郭文姣
    • 发布时间:2018-01-31
    • 爱荷华州立大学的研究人员开发了这些“植物纹身传感器”,以实时测量农作物的用水量。美国爱荷华州立大学的植物学家Patrick Schnable很快描述了他如何测量两种玉米植株的时间,将水从根部移动到较低的叶子上,然后移到叶子上。 这不是技术上的,精确的,海报上的谈话。这是一名研究人员,致力于开发一种新型的、低成本的、易于制作的、以石墨烯为基础的传感器-磁带,可以附着在植物上,并能向研究人员和农民提供新的数据。 他说:“有了这样的工具,我们就可以开始培育更有效地使用水的植物。”“这是令人兴奋的。我们以前做不到。但是,一旦我们能够测量一些东西,我们就能开始理解它。 让这些水测量成为可能的工具是一个微小的石墨烯传感器,可以用胶带粘在植物上——研究人员将其命名为“植物纹身传感器”。石墨烯是一种神奇的材料。它是一个碳的蜂窝,只是一个原子的厚度,它能很好地导电和加热,而且它是坚固和稳定的。在这项研究中,石墨烯带技术也被用于生产可穿戴的应变和压力传感器,包括内置在“智能手套”内的传感器,用来测量手部运动。 研究人员描述了各种各样的传感器,以及“基于石墨烯的纳米材料的简单和通用的方法”,在《高级材料技术》杂志2017年12月刊封面上的一篇论文中创建了柔性传感器。 这项研究主要是由爱荷华州的植物科学研究所的教师学者计划资助的。 梁东,爱荷华州电气和计算机工程副教授,是该论文的主要作者和技术开发人员。Seval Oren是一名电子和计算机工程专业的博士生,也是帮助开发传感器制造技术的合作者之一。帮助测试传感器应用的合著者是Schnable,爱荷华州的植物科学研究所所长,Charles F. Curtiss著名的农业和生命科学教授,爱荷华州玉米促进委员会捐赠的遗传学主席和农业企业家的贝克学者;以及土木、建筑和环境工程教授哈利·塞兰(Halil Ceylan)。 “我们正在尝试制造更便宜、性能更佳的传感器,”Dong说。 为了做到这一点,研究人员已经开发出了一种在磁带上制作复杂石墨烯图案的过程。Dong说,第一步是在聚合物块的表面形成锯齿状图案,要么是成型工艺,要么是3d打印。工程师们将液体石墨烯溶液涂在木块上,填入缩进的图案。他们用胶带去除多余的石墨烯。然后他们用另一条带子把石墨烯图案拉掉,在磁带上创建一个传感器。 这个过程可以产生精确的图案,只有500万分之一米宽——仅仅是普通人类头发直径的二十分之一。Dong说,这样小的模式可以提高传感器的灵敏度。 举个例子,这个过程产生了一个详细的图像,显示爱荷华州的飓风吉祥物的直径小于2毫米。“我认为这可能是最小的气旋,”董说。 “这个制作过程非常简单,”董说。“你只是用磁带来制造这些传感器。成本仅为美分。 在植物研究方面,传感器是用氧化石墨烯制成的,这种材料对水蒸气非常敏感。水蒸汽的存在改变了材料的导电性,可以通过量化来精确测量叶片的蒸腾作用(水蒸气的释放)。 Dong说,这种植物传感器已经在实验室和试验田试验中成功地进行了测试。 美国农业部农业和粮食研究计划的一项新的3年、472,363美元的拨款将支持对玉米作物的水运进行更多的实地测试。爱荷华州农学副教授、土壤科学教授威廉·t·弗兰肯伯格将领导该项目。联合调查人员包括董建华和Schnable。 爱荷华州立大学研究基金会已经申请了传感器技术的专利。研究基金会还授予一个选项来商业化EnGeniousAg——艾姆斯的技术创业公司创办的盾,Schnable,可以见到效果和詹姆斯•Schnable农学的助理教授布拉斯加-林肯大学的园艺,合作者在另一个爱荷华州传感器项目引发了公司成立(Patrick Schnable的儿子)。 “迄今为止我们测试过的基于磁带的传感器最令人兴奋的应用是植物传感器,”Dong说。“对于植物来说,可穿戴电子传感器的概念是全新的。”而且植物传感器非常微小,它们可以检测植物的蒸腾作用,但它们不会影响植物生长或作物生产。 但这并不是所有传感器都能做到的。该技术可以为各种各样的应用“开辟一条新路线”,作者在他们的论文中写道,包括用于生物医学诊断的传感器,用于检查建筑物的结构完整性,用于监测环境,以及在适当的修改之后,用于检测农作物的疾病或杀虫剂。 —— 文章发布于2018年1月4日