Los investigadores sientan la base para la producción de dispositivos diagnósticos basados en grafeno

Un avance en el uso del grafeno como un resonador de plasmones para la espectroscopia infrarroja ultrasensible debería permitir el desarrollo de nuevos biosensores para la detección de enfermedades a nivel molecular.

El grafeno es una forma de carbono que consiste en una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal. Es un semimetal con una pequeña superposición entre la valencia y las bandas de conducción. Como tal, se puede considerar como una molécula aromática indefinidamente grande, el máximo caso de la familia de los hidrocarburos aromáticos policíclicos planos. El grafeno es el elemento estructural básico de muchas otras formas de carbono, como el grafito, el carbón, los nanotubos de carbono y los fullerenos. El grafeno tiene muchas propiedades poco comunes, como ser el material más resistente jamás probado, al mismo tiempo que conduce el calor y la electricidad de manera eficiente y casi transparente.

El notable grosor de un solo átomo del grafeno minimiza su eficiencia para interactuar con la luz que se filtra a través de ella. Dado que la absorción de luz y la conversión a campos eléctricos locales es esencial para detectar pequeñas cantidades de moléculas, su estructura ha evitado el uso significativo de grafeno como base para los dispositivos de diagnóstico.

Investigadores de la Universidad de Minnesota (Minneapolis/St. Paul, EUA) combinaron el grafeno con cintas metálicas de oro de tamaño nanométrico. Usando cinta adhesiva y una técnica de nanofabricación de alta tecnología llamada “decapado de plantilla”, crearon una superficie de capa base ultra plana para el grafeno que hizo que el material fuera adecuado para su uso como resonador de plasmones acústicos.

La resonancia de plasmones es un fenómeno que ocurre cuando la luz se refleja en las películas metálicas delgadas, una propiedad que se puede usar para medir la interacción de las biomoléculas en la superficie. Una onda de densidad de carga de electrones surge en la superficie de la película cuando la luz se refleja en la película en condiciones específicas. Una fracción de la energía luminosa que incide en un ángulo definido puede interactuar con los electrones deslocalizados en la película de metal (plasmón), reduciendo la intensidad de la luz reflejada. El ángulo de incidencia en el que ocurre esto está influenciado por el índice de refracción cerca de la parte posterior de la película de metal, a la que se inmovilizan las moléculas diana. Si los ligandos en una fase móvil, que corre a lo largo de una célula de flujo, se unen a las moléculas de la superficie, el índice de refracción local cambia en proporción a la masa que se inmoviliza. Esto se puede monitorizar en tiempo real detectando cambios en la intensidad de la luz reflejada.

Los investigadores informaron que los plasmones acústicos basados en grafeno permitieron mediciones ultrasensibles de bandas de absorción y modos de fonones de superficie en capas de proteína de espesor de ångströms y de SiO2, respectivamente. La plataforma acústica del resonador de plasmones era escalable y podía aprovechar el máximo nivel de interacciones entre luz y materia con una eficiencia de casi el 94% para aplicaciones potenciales, como espectroscopia, detección, metasuperficies y optoelectrónica. Cuando se insertaron moléculas de proteína entre el grafeno y las cintas metálicas, se captó la suficiente energía como para ver las capas individuales de las moléculas de proteínas.

“Para detectar y tratar muchas enfermedades, necesitamos detectar moléculas de proteínas en cantidades muy pequeñas y comprender su estructura”, dijo el autor principal, el Dr. Sang-Hyun Oh, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Minnesota. “Actualmente, hay muchos desafíos técnicos con ese proceso. Esperamos que nuestro dispositivo con grafeno y un proceso de fabricación único proporcionen la investigación fundamental que pueda ayudar a superar esos desafíos. Nuestras simulaciones por computadora mostraron que este novedoso enfoque funcionaría, pero aún estábamos un poco sorprendidos cuando alcanzamos el 94% de absorción de luz en los dispositivos reales. Convertir un ideal desde una simulación por computadora tiene muchos desafíos. Todo tiene que ser de tan alta calidad y atómicamente plano. El hecho de que pudiéramos obtener una concordancia tan buena entre la teoría y el experimento fue bastante sorprendente y emocionante”.

Este trabajo fue detallado en la edición digital del 11 de febrero de 2019 de la revista Nature Nanotechnology.

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Universidad de Minnesota