¿Revolución en el diagnóstico?
Más sensible, más rápido y más barato: los químicos desarrollan un biosensor basado en grafeno
Los materiales bidimensionales como el grafeno no sólo son ultrafinos, sino también extremadamente sensibles. Por eso, los investigadores llevan años intentando desarrollar biosensores de alta sensibilidad que aprovechen esta propiedad. Los transistores de efecto de campo basados en grafeno, por ejemplo, podrían registrar los cambios más diminutos en las propiedades electrónicas causados por las moléculas cuando interactúan con esta capa atómicamente fina. Sin embargo, la hipersensibilidad del material se ha interpuesto hasta ahora en el camino de la realización práctica de esta idea. Científicos de la Universidad Friedrich Schiller de Jena (Alemania) han desarrollado una solución para superar este obstáculo, lo que podría allanar el camino a una revolución en el diagnóstico. Han publicado sus hallazgos en la revista de investigación "Advanced Materials".
Al igual que otros biosensores, los basados en grafeno requieren una superficie funcionalizada a la que sólo puedan adherirse moléculas específicas. Si, por ejemplo, se quiere detectar un biomarcador específico de una muestra de sangre o saliva, hay que aplicar a la superficie del sensor su homólogo correspondiente, la llamada molécula de captura. El problema: "Si el grafeno se funcionaliza directamente, su estructura electrónica cambia de forma desfavorable", explica el profesor Andrey Turchanin, de la Universidad de Jena. "El grafeno deja de ser grafeno y pierde las propiedades electrónicas específicas que se quieren aprovechar". Los parámetros que determinan la alta sensibilidad de un biosensor de este tipo -por ejemplo, la movilidad de los portadores de carga- se ven demasiado afectados.
Funcionalización gracias a una capa intermedia molecular
Sin embargo, Turchanin y su equipo, junto con socios de la industria, la investigación y la medicina, han desarrollado ahora un método para funcionalizar el grafeno sin interferencias. "Hemos aplicado al grafeno una membrana molecular de carbono, tan fina como el grafeno, de un nanómetro. Esta capa intermedia es dieléctrica, lo que significa que no conduce la electricidad", explica el químico de Jena. "Ambos componentes están conectados entre sí por las llamadas fuerzas de van der Waals y forman una heteroestructura que pudimos funcionalizar sin afectar a las propiedades electrónicas del grafeno". Esto se debe a que los grupos funcionales químicamente activos pueden aplicarse sin interferencias a la capa intermedia molecular, a la que pueden adherirse cualquier número de moléculas de captura diferentes. Cuando las contrapartes deseadas se adhieren, transmiten el campo eléctrico al grafeno, lo que modifica las señales eléctricas de este material sin afectar a sus propiedades.
Investigación de muestras clínicas complejas
Como moléculas de captura, los investigadores equiparon el grupo funcional químicamente activo de la capa intermedia molecular con aptámeros producidos artificialmente que pueden unir moléculas específicas de forma muy selectiva. También funcionalizaron la nanomembrana de carbono con una capa repelente de proteínas de polietilenglicol, un polímero sintético que suele utilizarse en medicina. Así se evita que se adsorba en la superficie algo que no se desea. De este modo, se pueden encontrar los biomarcadores buscados en una muestra biológica compleja.
Con este montaje experimental, los expertos de Jena consiguieron detectar quimiocinas, un determinado grupo de proteínas que desempeñan un papel importante en el sistema inmunitario humano y que, por tanto, pueden desempeñar un papel fundamental como biomarcadores en el diagnóstico de enfermedades. "Gracias a la cooperación con un laboratorio de medicina de los Países Bajos, para estos experimentos utilizamos muestras de frotis nasales de pacientes reales", explica Andrey Turchanin. "Es más, los sensores de grafeno que hemos desarrollado pueden utilizarse para encontrar no sólo un biomarcador, sino cientos", añade el Dr. David Kaiser, primer autor de la publicación.
Más sensibles, rápidos y baratos
"El resultado de esta investigación podría ser pionero para el diagnóstico del futuro, porque hemos podido eliminar un obstáculo importante en el camino hacia un biosensor basado en grafeno que es mucho más eficaz que cualquier otro utilizado actualmente en el ámbito de las aplicaciones clínicas normales", afirma Kaiser. "Es mucho más sensible, significativamente más rápido -los resultados están disponibles en unos cinco minutos- y rentable si se produce en grandes cantidades". El principio de medición es puramente eléctrico: los cambios en la corriente eléctrica indican por sí solos si se han encontrado los biomarcadores buscados. Por consiguiente, un biosensor de este tipo puede integrarse fácilmente en la práctica clínica diaria junto con un práctico dispositivo de punto de atención. "Probablemente sea posible incluso con nuestros teléfonos móviles", afirma Turchanin.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
David Kaiser, Nikolaus Meyerbroeker, Werner Purschke, Simone Sell, Christof Neumann, Andreas Winter, Zian Tang, Daniel Hüger, Christian Maasch, Lucas Bethge, Thomas Weimann, Gerben Ferwerda, Marien I. de Jonge, Albert Schnieders, Axel Vater, Andrey Turchanin; "Ultrasensitive Detection of Chemokines in Clinical Samples with Graphene‐Based Field‐Effect Transistors"; Advanced Materials, 2024-11-20
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