一個新的和更好的方法來檢測二維 (2D) 材料的光學(xué)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(yīng)用于藥物檢測。研究人員。

“二維晶體聯(lián)盟 (2DCC) 是二維材料研究的世界領(lǐng)先者，我的實驗室經(jīng)常與 2DCC 合作，為新型二維材料進(jìn)行材料表征，”工程科學(xué)與力學(xué)前沿教授 Slava V. Rotkin 說。在賓夕法尼亞州立大學(xué)材料研究所任職�！斑@些研究面臨著一個巨大的挑戰(zhàn)：二維材料的光學(xué)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(yīng)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(zhì)、吸附物、缺陷、皺紋、破裂等。這些特征可以調(diào)節(jié)光學(xué)特性并導(dǎo)致材料特性的可變性。

“盡管這對于二維材料的某些應(yīng)用的有效性至關(guān)重要，但目前還沒有真正有效的方法來檢測這些變化，”Rotkin 說�！坝捎谒鼈兎浅Ｐ。�光學(xué)工具無法檢測到它們，非光學(xué)工具無法解決光學(xué)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(jìn)行了概述。該解決方案可能會導(dǎo)致二維材料在醫(yī)學(xué)傳感中的更好應(yīng)用。

研究人員使用由石墨烯、石墨的二維材料版本和無機(jī)化合物二硫化鉬 (MoS2) 制成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行了實驗。MoS2 發(fā)出光致發(fā)光信號，可檢測石墨烯和 MoS2 層之間的電荷轉(zhuǎn)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(dú)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(zhǔn)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(qiáng)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(yī)療設(shè)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(biāo)記生物傳感器和僅可檢測特定藥物的基于標(biāo)記的生物傳感器。研究人員使用了無標(biāo)記生物傳感。

“基于標(biāo)簽的生物傳感器就像一把鎖，只能用一把鑰匙打開，但無標(biāo)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(fā)明無標(biāo)記多模式生物傳感，這種方法已經(jīng)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(biāo)簽生物傳感比基于標(biāo)簽的生物傳感更具挑戰(zhàn)性。

“我們通過將多個傳感器合并到一個設(shè)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(yīng)用于我們的 2D 材料，它產(chǎn)生三種不同的光信號，構(gòu)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(biāo)記生物傳感檢測 DOX。

雖然 Rotkin 強(qiáng)調(diào)他們只是在研究中展示了這一原理，但這種無標(biāo)記生物傳感的新機(jī)制仍有潛在應(yīng)用�？赡苡袀鞲衅髂軌蛞陨俚臉悠分苽洌�在較短的時間范圍內(nèi)，以低檢測限，并使用含有除關(guān)鍵分析物以外的物質(zhì)的樣品，對感興趣的生物、化學(xué)和/或醫(yī)學(xué)分析物進(jìn)行無標(biāo)記感測。

這可能會導(dǎo)致解決各種醫(yī)療保健挑戰(zhàn)的步驟。

“請記住，基礎(chǔ)研究與其應(yīng)用之間存在差距，我想說我們?yōu)闃?gòu)建大量用于生物傳感和其他應(yīng)用的納米技術(shù)/納米材料做出了貢獻(xiàn)，”羅特金說。“無標(biāo)簽檢測為智能和集成傳感器、新的生物威脅安全技術(shù)和更加個性化的藥物和治療以及其他好處奠定了基礎(chǔ)。”

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(xué)特性有了更深入的了解，”Rotkin 說�！拔覀儼l(fā)現(xiàn)了一種特定結(jié)構(gòu)，石墨烯和 MoS2 的一些機(jī)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(zhì)結(jié)構(gòu)物理的更多關(guān)注，例如我們的復(fù)合材料結(jié)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(yīng)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(xué)的項目。此外，研究團(tuán)隊還將尋找合作伙伴來研究實際應(yīng)用。

“由于無標(biāo)記檢測是普遍的，我們不受分析物類型、應(yīng)用或問題的限制，”Rotkin 說�！安贿^，需要有人有真正的問題來應(yīng)用這種方法。我們正在尋找來自醫(yī)學(xué)界的合作者，以進(jìn)行一些令人興奮的新聯(lián)合研究�！�