EAGER: 2D Nanomaterials-Bioreceptor Hybrid Optoelectronic Biosensors

EAGER:2D纳米材料-生物受体混合光电生物传感器

基本信息

  • 批准号:
    1842718
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 15万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-08-15 至 2021-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Sensitive, selective, rapid, cost-effective detection of chemicals and biological molecules is critical in many sectors of society. The goal of this project is to develop a novel biosensor consisting of optoelectronic transducer (a device that converts light to an electronic signal) composed of two layers of nanomaterials graphene and molybdenum disulfide coupled with biological sensing molecules. When molecular targets are present in liquid samples, the biological molecules will sense them and the transducer will provide a readout signaled by a change the optoelectronic properties of the device. The proposed device will find a broad spectrum of applications critical for society, such as diagnosing diseases, monitoring food, water and environment quality and safety and personal/homeland security. Affinity-based biosensors are analytical platforms that detect analytes through specific interactions between analyte targets and recognition molecules. Current affinity-based biosensor require a label for quantification. The lack of an ideal label and tedious/time consuming protocol are major limitations of the current affinity-based biosensors. Field-effect transistors (FET)-based biosensors are an alternative for alleviating these limitations. The proposed research will develop a novel all two-dimensional layered van der Waals (LVDW) nanomaterial-bioreceptor hybrid optoelectronic biosensor for detecting chemical/biological molecules with ultrahigh sensitivity, exquisite selectivity and label-free analysis. The proposed optoelectronic device will be a photogated FET transducer made from single-layer of 2D transition metal dichalcogenide (TMD) molybdenum disulfide (MoS2) semiconductor as channel/gate, single-layer graphene as source and drain electrodes and a red LED as photons supplier. The MoS2 channel will be functionalized by bioreceptor specific for the target analyte. The analytical figures of merits, i.e. sensitivity, limit of detection, selectivity, speed, reproducibility, stability, etc., will be established. The sensing of avidin as target with biotin as receptor will be used as a model system for this EAGER project. Intellectual merits of the research program include a novel biosensor consisting of optoelectronic transducer composed of a heterostructure of two-dimensional nanomaterials graphene and molybdenum disulfide coupled with a red light LED and interfaced to biological sensing molecules that is expected to revolutionize the designs and performances of FET-based label-free affinity biosensors platforms. Broader Impacts of the project would be a new paradigm in label-free affinity-based biosensors for highly sensitive, selective, rapid, cost-effective, facile and in-field multiplexed detection of chemical and biological molecules. The proposed sensing platform is expected to find applications in medical diagnostics, food safety and quality, environmental monitoring, homeland/personal security, etc. This research will help increase (i) US technological competitiveness; (ii) develop a globally competitive STEM workforce; (iii) increase participation of women and underrepresented minorities; and (iv) contribute to undergraduate and graduate STEM education.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
对化学物质和生物分子进行灵敏、选择性、快速、经济高效的检测对于社会许多领域至关重要。 该项目的目标是开发一种新型生物传感器,该传感器由光电传感器(一种将光转换为电子信号的装置)组成,该传感器由两层纳米材料石墨烯和二硫化钼与生物传感分子耦合组成。当液体样品中存在分子目标时,生物分子将感知它们,传感器将通过设备光电特性的变化提供读数。拟议的设备将具有对社会至关重要的广泛应用,例如诊断疾病、监测食品、水和环境质量与安全以及个人/国土安全。基于亲和力的生物传感器是通过分析物目标和识别分子之间的特定相互作用来检测分析物的分析平台。当前基于亲和力的生物传感器需要定量标签。缺乏理想的标签和繁琐/耗时的方案是当前基于亲和力的生物传感器的主要限制。 基于场效应晶体管 (FET) 的生物传感器是缓解这些限制的替代方案。该研究将开发一种新型全二维层状范德华(LVDW)纳米材料-生物受体混合光电生物传感器,用于检测具有超高灵敏度、精细选择性和无标记分析的化学/生物分子。所提出的光电器件将是一种光电门控 FET 传感器,由单层 2D 过渡金属二硫化物 (TMD) 二硫化钼 (MoS2) 半导体作为通道/栅极、单层石墨烯作为源极和漏极以及红色 LED 作为光子供应器制成。 MoS2 通道将通过针对目标分析物的特异性生物受体进行功能化。将建立分析品质因数,即灵敏度、检测限、选择性、速度、再现性、稳定性等。以抗生物素​​蛋白为靶标、以生物素为受体的传感将被用作该 EAGER 项目的模型系统。 该研究项目的智力优势包括一种新型生物传感器,该生物传感器由光电传感器组成,光电传感器由二维纳米材料石墨烯和二硫化钼的异质结构组成,与红光 LED 耦合,并与生物传感分子连接,有望彻底改变基于 FET 的无标记亲和生物传感器平台的设计和性能。该项目的更广泛影响将是无标记亲和生物传感器的新范例,用于化学和生物分子的高灵敏度、选择性、快速、成本效益、简便和现场多重检测。拟议的传感平台预计将在医疗诊断、食品安全和质量、环境监测、国土/个人安全等领域得到应用。这项研究将有助于提高(i)美国的技术竞争力; (ii) 培养一支具有全球竞争力的 STEM 劳动力队伍; ㈢ 提高妇女和代表性不足的少数群体的参与; (iv) 为本科生和研究生 STEM 教育做出贡献。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
MoS2-graphene heterostructures as efficient organic compounds sensing 2D materials
  • DOI:
    10.1016/j.carbon.2018.10.079
  • 发表时间:
    2019-02-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    10.9
  • 作者:
    Pham, Tung;Ramnani, Pankaj;Mulchandani, Ashok
  • 通讯作者:
    Mulchandani, Ashok
Synthesis of pristine graphene-like behaving rGO thin film: Insights into what really matters
  • DOI:
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  • 通讯作者:
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Graphene based biosensors for healthcare
  • DOI:
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  • 通讯作者:
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  • 通讯作者:
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