石墨烯生物传感器利用声波对超薄生物层进行化学指纹识别

( Nanowerk Spotlight ) 红外光谱使科学家能够通过分析分子独特的振动特征来研究分子，这些振动特征相当于化学指纹。然而，传统的红外技术仍然难以检测超薄生物层，例如对于组织工程、生物电子植入、环境传感和基础细胞生物学至关重要的生物层。尽管表面增强可以放大信号，但它们的权衡限制了可靠的识别和量化。

红外光谱依赖于分子根据其化学键以特定共振频率振动的事实。通过将红外光照射到样品上并测量吸收率，可以获得这些分子振动的光谱。这种振动指纹可以唯一地识别分子组成，类似于指纹识别人的方式。它还包含有关分子形状和结构的信息。这使得红外光谱对于化学、生物学和医学具有无价的价值。

然而，自由红外光束过于粗糙和充满能量，无法感知超薄分子层，例如组织工程、病原体检测和环境毒素评估中涉及的分子层。尽管石墨烯等离激元和超材料可以将光压缩到超出其衍射极限，但以前的技术仍然缺乏可靠检测埃级生物膜的灵敏度和精度。

尽管使用金属天线和石墨烯等离子体的表面增强红外吸收（SEIRA）光谱可以将光限制在其衍射极限之外，但这些平台也有权衡。金属结构缺乏可调谐性，并且红外品质因数较低。以前的石墨烯器件需要永久性图案，例如散射光的衍射光栅，从而缩短了对精确光谱至关重要的极化子寿命。迄今为止，这些缺点阻碍了对脆弱生物分子（尤其是超薄层）进行可靠的红外识别和定量。

现在，马德里理工大学的研究人员在《Biosensors and Bioelectronics》（“Surface-acoustic-wave-driven graphene plasmonic sensor for fingerprinting ultrathin biolayers down to the monolayer limit”）中报告了一种利用声波的电可调石墨烯生物传感器的开发在单层极限下提供前所未有的红外灵敏度和特异性。通过将可调谐石墨烯等离子体频率与目标分子振动精确匹配，即使是微弱的光谱指纹也能清晰地显现出来。

提出了 SAW 驱动的等离子体生物传感器的原理图。(a) 器件的 3D 布局和 (b) 材料系统的横截面，该材料系统由位于AlN 衬底顶部的范德华异质结构组成，具有埋入式 Al 栅极，用于偏置顶部和底部双层石墨烯 (DLG) ）堆栈。（©生物传感器和生物电子学）

这种声激活方法可以对埃级薄膜进行 精确的原位研究，从而开启化学、生物学和医学领域的新红外应用。

“石墨烯已成为红外光谱和传感的特殊平台，”主要作者 Raúl Izquierdo-López 解释道。“它的二维性质限制了光，远远超出了金属所能达到的范围。与金属不同，石墨烯的光学特性可以通过电调节。”

该团队在氮化铝基板上的薄六方氮化硼间隔物周围堆叠了两片石墨烯片。该团队使用转移矩阵方法对生物传感器进行建模，该方法将石墨烯视为介电层之间的导电界面。

通过用电门控调节双石墨烯层的费米能级，他们定制了混合石墨烯等离子体-六方氮化硼声子模式，以在与常见生物键振动相关的红外频率上共振。然后，他们激活集成表面声波装置，产生纳米级声波，使石墨烯堆栈动态“产生波纹”。这种虚拟衍射光栅将传播的石墨烯极化子与目标频率的红外光耦合，而不需要永久的纳米结构。

接下来，他们激活集成表面声波装置以产生纳米级声波，该声波在石墨烯堆叠上传播。这种动态波纹形成了虚拟衍射光栅，将石墨烯等离激元与可调谐频率的自由空间红外光耦合，而无需制造永久性纳米结构。

只需通过选通费米能级，研究人员就可以扫描感兴趣的分子振动，类似于调谐收音机拨号盘。当石墨烯等离激元频率与分子共振重叠时，出现透明窗口，表明强耦合。这比以往任何时候都更响亮地表明检测到的分子的存在。
为了证明灵敏度，该团队分析了半导体 CBP 的纳米有机薄膜、结合重组蛋白 A/G 和山羊抗小鼠 IgG 抗体的蛋白质双层，以及在脂质中形成传导离子通道的缬氨酸短杆菌肽 A 肽的单层膜。虚拟衍射生物传感器有效地对从初始等离子体展宽到完整法诺共振干扰的耦合范围内的所有样本进行指纹识别。

“这种可调谐、非破坏性和可重复使用的技术提供了标准红外和等离子体技术无法比拟的特异性和灵敏度，”Pedrós 博士说。“它为脆弱生物分子的精确红外研究和无需微流体的连续规模芯片实验室传感打开了大门。”

研究人员计划通过整合最先进的高迁移率石墨烯来进一步提高灵敏度。通过优化的材料和抑制噪音的精细声波混合技术，他们的目标是在十年内实现单分子红外光谱。