一個(gè)新的和更好的方法來(lái)檢測(cè)二維 (2D) 材料的光學(xué)特性的不均勻性，可能會(huì)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(cè)。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(shí)驗(yàn)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(shuō)。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(gè)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(gè)原子�！�

識(shí)別和理解這種特性的可變性對(duì)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(gè)原子厚的材料。這種具有表面與體積比的原子級(jí)薄材料可能具有納米級(jí)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(duì)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(lái)檢測(cè)這些變化，”Rotkin 說(shuō)。“由于它們非常小，光學(xué)工具無(wú)法檢測(cè)到它們，非光學(xué)工具無(wú)法解決光學(xué)對(duì)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(xiàng)研究中進(jìn)行了概述。該解決方案可能會(huì)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(wú)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(shí)驗(yàn)。MoS2 發(fā)出光致發(fā)光信號(hào)，可檢測(cè)石墨烯和 MoS2 層之間的電荷轉(zhuǎn)移量，因此可以檢測(cè)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(huì)影響電荷。然而，石墨烯本身可以通過拉曼光譜分析來(lái)檢測(cè)這些變化，拉曼光譜檢測(cè)分子中的獨(dú)特振動(dòng)。拉曼顯微鏡檢測(cè)由這些振動(dòng)引起的激光束中光子頻率的變化。

“這兩個(gè)通道一起可以更好地校準(zhǔn)兩個(gè)信號(hào)對(duì)分析物濃度和分析物的類型，”Rotkin 說(shuō)�！按送猓�石墨烯增強(qiáng)了分析物本身的拉曼信號(hào)，以至于人們可以‘看到’來(lái)自幾個(gè)分子的信號(hào)。”

研究人員使用 DOX 作為他們的分析物，因?yàn)樗�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(cè)多種藥物的無(wú)標(biāo)記生物傳感器和僅可檢測(cè)特定藥物的基于標(biāo)記的生物傳感器。研究人員使用了無(wú)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(wú)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(shuō)�！拔覀儧]有發(fā)明無(wú)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(shí)際演示是新的，并且本身仍然很重要。”

這很重要，因?yàn)闊o(wú)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(gè)傳感器合并到一個(gè)設(shè)備中來(lái)使其工作，將鎖和鑰匙類比為一條鏈上的三把鎖，”Rotkin 說(shuō)，“具體來(lái)說(shuō)，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(hào)，構(gòu)成多模式傳感。通過一次測(cè)量三個(gè)信號(hào)，而不是像普通傳感器那樣只測(cè)量一個(gè)信號(hào)，這使我們能夠使用無(wú)標(biāo)記生物傳感檢測(cè) 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(wú)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�，在較短的時(shí)間范圍內(nèi)，以低檢測(cè)限，并使用含有除關(guān)鍵分析物以外的物質(zhì)的樣品，對(duì)感興趣的生物、化學(xué)和/或醫(yī)學(xué)分析物進(jìn)行無(wú)標(biāo)記感測(cè)。

這可能會(huì)導(dǎo)致解決各種醫(yī)療保健挑戰(zhàn)的步驟。

“請(qǐng)記住，基礎(chǔ)研究與其應(yīng)用之間存在差距，我想說(shuō)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(shuō)�！盁o(wú)標(biāo)簽檢測(cè)為智能和集成傳感器、新的生物威脅安全技術(shù)和更加個(gè)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(shí)，這項(xiàng)研究也有更直接的好處。

“這項(xiàng)工作讓我們對(duì)二維材料的整體光學(xué)特性有了更深入的了解，”Rotkin 說(shuō)�！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(duì)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(xiàng)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(xiàng)目，包括那些涉及量子等離子體和二維非線性光學(xué)的項(xiàng)目。此外，研究團(tuán)隊(duì)還將尋找合作伙伴來(lái)研究實(shí)際應(yīng)用。

“由于無(wú)標(biāo)記檢測(cè)是普遍的，我們不受分析物類型、應(yīng)用或問題的限制，”Rotkin 說(shuō)。“不過，需要有人有真正的問題來(lái)應(yīng)用這種方法。我們正在尋找來(lái)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。”