- 檢測二維材料中的不均勻性可能會催生新的醫療傳感器
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2022/2/24
一個新的和更好的方法來檢測二維 (2D) 材料的光學特性的不均勻性，可能會為這些材料的新用途打開大門，例如將二維材料應用于藥物檢測。研究人員。
“二維晶體聯盟 (2DCC) 是二維材料研究的世界領先者，我的實驗室經常與 2DCC 合作，為新型二維材料進行材料表征，”工程科學與力學前沿教授 Slava V. Rotkin 說。在賓夕法尼亞州立大學材料研究所任職。“這些研究面臨著一個巨大的挑戰：二維材料的光學特性通常在空間中并不均勻。此外，它們可能在非常小的空間尺度上變化，小到單個原子。”
識別和理解這種特性的可變性對于二維材料的某些應用可能非常重要，二維材料是一到幾個原子厚的材料。這種具有最終表面與體積比的原子級薄材料可能具有納米級的表面不均勻性。這包括原子雜質、吸附物、缺陷、皺紋、破裂等。這些特征可以調節光學特性并導致材料特性的可變性。
“盡管這對于二維材料的某些應用的有效性至關重要，但目前還沒有真正有效的方法來檢測這些變化，”Rotkin 說。“由于它們非常小，光學工具無法檢測到它們，非光學工具無法解決光學對比度問題。”
Rotkin 和其他研究人員能夠朝著可能的解決方案邁出一步，該解決方案在ACS Nano最近的一項研究中進行了概述。該解決方案可能會導致二維材料在醫學傳感中的更好應用。
研究人員使用由石墨烯、石墨的二維材料版本和無機化合物二硫化鉬 (MoS2) 制成的異質結構材料進行了實驗。MoS2 發出光致發光信號，可檢測石墨烯和 MoS2 層之間的電荷轉移量，因此可以檢測由于生物分析物（在這種情況下是癌癥治療藥物阿霉素 (DOX)）引起的變化，它會影響電荷。然而，石墨烯本身可以通過拉曼光譜分析來檢測這些變化，拉曼光譜檢測分子中的獨特振動。拉曼顯微鏡檢測由這些振動引起的激光束中光子頻率的變化。
“這兩個通道一起可以更好地校準兩個信號對分析物濃度和分析物的類型，”Rotkin 說。“此外，石墨烯增強了分析物本身的拉曼信號，以至于人們可以‘看到’來自幾個分子的信號。”
研究人員使用 DOX 作為他們的分析物，因為它是一種常見的抗癌藥物，并且迫切需要用于它的良好醫療設備，包括傳感器。兩種類型的生物傳感器是可用于檢測多種藥物的無標記生物傳感器和僅可檢測特定藥物的基于標記的生物傳感器。研究人員使用了無標記生物傳感。
“基于標簽的生物傳感器就像一把鎖，只能用一把鑰匙打開，但無標簽的生物傳感器就像一把鎖，有許多不同的鑰匙，”羅特金說。“我們沒有發明無標記多模式生物傳感，這種方法已經在其他研究中使用。但是使用特定材料的實際演示是新的，并且本身仍然很重要。”
這很重要，因為無標簽生物傳感比基于標簽的生物傳感更具挑戰性。
“我們通過將多個傳感器合并到一個設備中來使其工作，將鎖和鑰匙類比為一條鏈上的三把鎖，”Rotkin 說，“具體來說，我們將 DOX 應用于我們的 2D 材料，它產生三種不同的光信號，構成多模式傳感。通過一次測量三個信號，而不是像普通傳感器那樣只測量一個信號，這使我們能夠使用無標記生物傳感檢測 DOX。
雖然 Rotkin 強調他們只是在研究中展示了這一原理，但這種無標記生物傳感的新機制仍有潛在應用。可能有傳感器能夠以最少的樣品制備，在較短的時間范圍內，以低檢測限，并使用含有除關鍵分析物以外的物質的樣品，對感興趣的生物、化學和/或醫學分析物進行無標記感測。
這可能會導致解決各種醫療保健挑戰的步驟。
“請記住，基礎研究與其應用之間存在差距，我想說我們為構建大量用于生物傳感和其他應用的納米技術/納米材料做出了貢獻，”羅特金說。“無標簽檢測為智能和集成傳感器、新的生物威脅安全技術和更加個性化的藥物和治療以及其他好處奠定了基礎。”
Rotkin 表示，與此同時，這項研究也有更直接的好處。
“這項工作讓我們對二維材料的整體光學特性有了更深入的了解，”Rotkin 說。“我們發現了一種特定結構，石墨烯和 MoS2 的一些機制。但我們的納米成像方法適用于許多其他方法，如果不是全部的話。此外，我們希望引起對二維材料異質結構物理的更多關注，例如我們的復合材料結合了石墨烯和 MoS2 單層材料特性的材料。”
這項研究的下一步將包括將他們工作的材料組件應用于 2DCC 的其他項目，包括那些涉及量子等離子體和二維非線性光學的項目。此外，研究團隊還將尋找合作伙伴來研究實際應用。
“由于無標記檢測是普遍的，我們不受分析物類型、應用或問題的限制，”Rotkin 說。“不過，需要有人有真正的問題來應用這種方法。我們正在尋找來自醫學界的合作者，以進行一些令人興奮的新聯合研究。”
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