Sơ đồ minh họa một bộ cảm biến graphene trang hoàng ADN. (Ảnh: Robert Johnson, Đại học Temple)
Các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa tiết lộ một bộ cảm biến hóa chất mới xây dựng chỉ trên hai chất liệu: graphene và ADN. Dụng cụ thật đơn giản, có độ nhạy cao và dễ chế tạo, và các nhà khoa học tin rằng nó có thể dùng để chế tạo ra một cái “mũi” điện tử có khả năng cảm nhận nhiều loại phân tử đa dạng. Cuối cùng, những bộ cảm biến như vậy có thể dùng trong các bệnh viện để phát hiện ra bệnh tật, tại các cổng kiểm soát an ninh để dò tìm các hóa chất nguy hại và thậm chí có thể được đội cứu hộ sử dụng để tìm kiếm người mất tích.
Giống như các đối tác sinh học của chúng, mũi điện tử nhạy với một số lượng lớn phân tử khác nhau. Để làm được như vậy, chúng thường gồm hàng trăm, hoặc thậm chí hàng nghìn, bộ cảm biến trên cùng một con chip. Mỗi bộ cảm biến phản ứng với một phân tử nhất định, giống hệt như các protein thụ cảm khứu giác trong mũi thú. Tuy nhiên, nhu cầu chế tạo hàng nghìn bộ cảm biến khác nhau – và thách thức của việc biến đổi các phản ứng hóa học thành tín hiệu điện tử - có thể làm cho mũi điện tử trở thành những dụng cụ đắt tiền và phức tạp.
A T Charlie Johnson thuộc trường Đại học Pennsylvania, cùng các đồng nghiệp Ye Lu, Brett Goldsmith và Nick Kybert, vừa đi tới một phương pháp đơn giản cảm nhận các hóa chất bởi việc chứng minh các tính chất điện tử của graphene tráng ADN bị thay đổi khi đặt trước những phân tử nhất định.
Bắt đầu với các transistor graphene
Graphene là tấm carbon chỉ dày một nguyên tử và đội khoa học xây dựng dụng cụ của họ trên các transistor graphene chế tạo bằng phương pháp “băng dính” chuẩn, kĩ thuật bóc tách từng lớp nguyên tử carbon ra khỏi graphite. Sau đó, các nhà nghiên cứu làm sạch triệt để graphene để loại bỏ mọi chất cặn trên bề mặt có thể gây ra những tín hiệu không muốn có.
Mỗi transistor sau đó nhúng trong một dung dịch ADN chuỗi đơn nhất định, chúng tự lắp ráp thành một khuôn mẫu trên bề mặt của graphene. ADN cấu tạo từ bốn base khác nhau – adenine (A); cytosine (C), thymine (T); và guanine (G) – và một ví dụ của chuỗi đã sử dụng là TCT GTG GAG GAG GTA GTC. “Chúng tôi chỉ kiểm tra một vài chuỗi nhưng số chuỗi khả dĩ về cơ bản là vô hạn”, Johnson giải thích.
Các nhà nghiên cứu chọn các chuỗi ADN của họ dựa trên khả năng của chuỗi hoạt động như một tác nhân nhạy hóa chất – một vai trò rất khác với chức năng của ADN trong các cơ thể sống. Mỗi chuỗi hành xử hơi khác nhau trên bề mặt của graphene vì nó có một hình dạng khác, độ pH và các tính chất thấm nước khác nhau. Điều này có nghĩa là mỗi chuỗi tương tác khác nhau với những hóa chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) khác nhau.
Biến thiên điện trở
Khi ADN/graphene tương tác với một hóa chất trong môi trường của nó, điện trở của graphene thay đổi. Sự thay đổi này, có thể lớn đến 50%, có thể dễ dàng đo được bằng một thiết bị đơn giản. Và, vì đây là một phép đo điện tử trực tiếp, nên nó diễn ra rất nhanh – các phản ứng hoàn chỉnh có thể trông chưa tới 10 giây và các bộ cảm biến hồi phục trở lại trong khoảng 30 giây.
“Bằng cách chế tạo một dãy dụng cụ ADN-graphene như vậy, chúng tôi tin rằng chúng tôi có thể khai thác tính chất này của ADN/graphene để phát hiện ra chất nổ, vũ khí hóa học (như các chất khí kích thích thần kinh) hoặc thậm chí các hợp chất độc hại có thể bị phóng thích bất ngờ tại nhà máy”, Johnson nói.
Thách thức to lớn trước mắt của đội nghiên cứu là tăng quy mô sản xuất các bộ cảm biến của họ. “Chúng tôi cần kiểm tra nhiều chuỗi ADN hơn nữa, lắp nhiều dụng cụ hơn lên trên một con chip và đảm bảo rằng chúng tôi đã hiểu hết mọi tín hiệu khi một ma trận lớn gồm các bộ cảm biến được đặt trước một hỗn hợp hóa chất”, Johnson phát biểu. “Chúng tôi đặt nhiều hi vọng vào những bộ cảm biến này nhưng vẫn còn rất nhiều vấn đề phải giải quyết nữa”.
Nguồn: physicsworld.com
