科学家在二维材料中“看到”非均匀性：或将带来微型药物传感器

据一个研究小组称，在检测二维材料光学特性的非均匀性方面，一种新的和更好的方法有可能为这些材料的新用途打开大门，比如说用于药物检测。“二维晶体联盟(2DCC)是二维材料研究的世界领导者，我的实验室经常跟2DCC合作，来为新型二维材料做材料表征，”来自宾夕法尼亚州立大学工程科学和力学前沿教授Slava V. Rotkin说道。

“在这些研究中，存在着一个很大的挑战。通常情况下，二维材料的光学特性在空间上是不均匀的。此外，它们可能在非常小的空间尺度上变化，小到一个原子。”

虽然Rotkin强调他们在研究中只给出了一个原理演示，但他们提出的解决方案却被用于范德瓦尔斯异质结构，它可以实现用二维材料制作的传感器，而这些材料的厚度只有一到几个的原子。

据了解，一个好的传感器可以用最少的样品准备、在很短的时间内检测出这些分析物、检测限很低并使用含有关键分析物以外的物质的样品。

识别和理解材料属性的变异性对于二维材料作为传感器的应用可能极为重要。传感器材料通常只能在表面跟分析物发生作用。因此，材料的表面是一个活性区域，而材料的体积则不是。表面跟体积的比例越大，不能使用的材料的比例就越低。这种原子级的薄材料对于传感器的使用具有终极的表面与体积之比，另外还可能拥有纳米级的表面不均匀性。这包括原子杂质、吸附物、缺陷、皱纹、断裂等。这些特征可以调节光学特性。

Rotkin表示：“尽管这对二维材料的某些应用的有效性至关重要，但目前还没有真正有效的方法来检测这些变异性。由于它们是如此得微小，以至于它们无法被光学工具检测到，而非光学工具也无法解决光学对比。”

研究人员使用一种由石墨烯（石墨的二维材料版本）和无机化合物二硫化钼组成的异质结构材料进行了实验。二硫化钼则给出了一个光致发光信号，这可以检测石墨烯和二硫化钼层之间电荷转移的数量。因此，它可以检测到由于生物分析物的变化，在这种情况下是癌症治疗药物多柔比星，它可以影响电荷。

另外，这些变化还可以通过拉曼光谱的分析在石墨烯中检测出来，拉曼光谱可以发现分子的独特振动。拉曼显微镜可以捕捉到由这些振动引起的激光光束中的光子频率的变化。

Rotkin说道：“这两个通道在一起可以更好地校准这两个信号与分析物浓度和分析物的类型。另外，石墨烯增强了分析物本身的拉曼信号，以至于人们可以‘看到’仅来自几个分子的信号。”

研究人员使用多柔比星作为他们的分析物，因为它是一种用于化疗的常见癌症药物，而且迫切需要生物传感器来检测它以帮助调节剂量和减少副作用。有两种类型的生物传感器可用于这一目的，一种是无标签生物传感器，可用于检测各种药物；另一种是基于标签的生物传感器，只能检测一种特定的药物。研究人员在研究中使用了无标签生物传感。

“基于标签的生物传感器就像一把只能用一把钥匙打开的锁，但无标签的生物传感器就像一个拥有许多把不同钥匙的锁，”Rotkin说道，“我们没有发明无标签多模态生物传感，这种方法已经在其他研究中出现。但用一种特定的材料进行实际演示是新的，而且本身仍非常重要。”

这可能会带来解决各种保健挑战的步骤。

“考虑到基础研究和其应用之间存在差距，我想说我们为建立一大套用于生物传感和其他应用的纳米技术/纳米材料贡献了一块砖，。无标签检测为智能和集成传感器、新的生物威胁安全技术和更多的个性化医药和治疗以及其他好处奠定了基础，”Rotkin说道。

由于创建一个无标签的生物传感器比开发一个基于标签的生物传感器更具挑战性，所以这点也非常重要。

Rotkin指出，除了生物传感的可能性之外，这项研究还有更直接的好处。“这项工作让我们对二维材料的整体光学特性有了更深入的了解。我们发现了一个特定结构的一些机制–石墨烯和MoS2。但我们的纳米成像方法适用于许多其他材料，如果不是全部的话。另外，我们希望吸引更多的人关注二维材料异质结构的物理学，如我们的复合材料，它结合了石墨烯和MoS2单层材料的特性。”

接下来 ，研究团队将把他们工作的材料部分应用于2DCC和宾夕法尼亚州国家科学基金会材料研究科学和工程中心–纳米科学中心的其他项目，这将包括涉及量子质子学和二维非线性光学的项目。此外，研究小组还将寻找合作伙伴来研究实际应用。