Detektering af uensartetheder i 2D-materialer kan føre til nye medicinske sensorer

En ny og bedre tilgang til at detektere uensartetheder i de optiske egenskaber af todimensionelle (2D) materialer kunne potentielt åbne døren til nye anvendelser for disse materialer, såsom anvendelsen af ​​2D-materialer til lægemiddeldetektion, ifølge et team af forskere.

"The Two-Dimensional Crystal Consortium (2DCC) er førende i verden inden for 2D-materialeforskning, og mit laboratorium arbejder ofte sammen med 2DCC og laver materialekarakterisering for nye 2D-materialer," sagde Slava V. Rotkin, Frontier Professor of Engineering Science and Mechanics med en ansættelse i Materials Research Institute i Penn State. "Der er en stor udfordring i disse undersøgelser:Ofte er optiske egenskaber af 2D-materialer ikke ensartede i rummet. Desuden kan de variere i en meget lille rumlig skala, ned til et enkelt atom."

At identificere og forstå en sådan variabilitet af egenskaber kan være ekstremt vigtigt for visse anvendelser af 2D-materialer, som er materialer, der er et til nogle få atomer tykke. Sådanne atomært tynde materialer, der har et ultimativt overflade-til-volumen-forhold, kan have overfladeuensartetheder på nanometerskalaen. Dette inkluderer atomare urenheder, adsorbater, defekter, rynker, brud og så videre. Sådanne funktioner kan modulere de optiske egenskaber og resultere i variation i materialernes egenskaber.

"På trods af dette er afgørende for effektiviteten i visse anvendelser af 2D-materialer, er der i øjeblikket ingen virkelig effektiv tilgang til at opdage disse variationer," sagde Rotkin. "På grund af at de er så små, kan de ikke spores af optiske værktøjer, og ikke-optiske værktøjer kan ikke løse optisk kontrast."

Rotkin og andre forskere var i stand til at tage et skridt hen imod en mulig løsning, hvilket blev skitseret i en nylig undersøgelse i ACS Nano . Denne løsning vil potentielt føre til bedre anvendelser af 2D-materialer til medicinsk sansning.

Forskerne udførte eksperimenter med et heterostrukturmateriale lavet af grafen, 2D-materialeversionen af ​​grafit og den uorganiske forbindelse molybdændisulfid (MoS2). MoS2 giver et fotoluminescenssignal, der detekterer mængden af ​​ladningsoverførsel mellem grafen- og MoS2-lagene og kan derfor detektere ændringer på grund af bioanalytten, i dette tilfælde kræftbehandlingsmidlet doxorubicin (DOX), som kan påvirke ladningen. Dog kan grafen selv detektere disse ændringer via analyse ved Raman-spektroskopi, som detekterer unikke vibrationer i molekyler. Raman-mikroskop opfanger skift i frekvensen af ​​fotoner i laserlysstrålen forårsaget af disse vibrationer.

"De to kanaler tillader sammen en bedre kalibrering af to signaler mod analytkoncentration og typen af ​​analyt," sagde Rotkin. "Og derudover forstærker grafen selve analyttens Raman-signal i det omfang, man kan 'se' et signal fra blot nogle få molekyler."

Forskerne brugte DOX som deres analyt, fordi det er et almindeligt kræftlægemiddel, og der er et akut behov for godt medicinsk udstyr til det, herunder sensorer. To typer biosensorer er mærkefrie biosensorer, som kan bruges til at påvise en række lægemidler, og mærkebaserede biosensorer, som kun kan påvise et specifikt lægemiddel. Forskerne brugte etiketfri biosensing.

"Den etiketbaserede biosensor er som en lås, der kan åbnes med kun én nøgle, men den etiketfri biosensor er som en lås med mange forskellige nøgler," sagde Rotkin. "Vi har ikke opfundet etiketfri multimodal biosensing, denne tilgang har været i andre undersøgelser. Men en faktisk demonstration med et specifikt materiale er ny og stadig vigtig i sig selv."

Dette er væsentligt, fordi etiket-fri biosensing er mere udfordrende end etiket-baseret biosensing.

"Vi får det til at fungere ved at fusionere flere sensorer i en enhed, tænk på låse- og nøgleanalogien som tre låse på en kæde," sagde Rotkin. en multimodal sensing. Ved at måle tre signaler på én gang i stedet for kun ét som i en normal sensor, giver dette os mulighed for at detektere DOX ved hjælp af etiketfri biosensing."

Mens Rotkin understreger, at de kun gav en demonstration af princippet i undersøgelsen, er der potentielle anvendelser af denne nye mekanisme for etiket-fri biosensing. Der kunne potentielt være sensorer, der muliggør mærkefri sensing af bio-, kemiske og/eller medicinske analytter af interesse med minimal prøveforberedelse, i en forkortet tidsramme, med lave detektionsgrænser og ved brug af prøver, der indeholder andre stoffer end nøgleanalytten.

Dette kan føre til skridt til at løse forskellige sundhedsmæssige udfordringer.

"Med tanke på, at der er en kløft mellem fundamental forskning og dens anvendelser, vil jeg sige, at vi bidrog med en mursten til at bygge et stort sæt af nanoteknologi/nanomaterialer til biosensing og andre applikationer," sagde Rotkin. "Mærkefri detektion danner grundlaget for smarte og integrerede sensorer, nye bio-trusselssikkerhedsteknikker og mere individualiseret medicin og behandlinger, blandt andre fordele."

I mellemtiden er der også mere umiddelbare fordele ved denne forskning, ifølge Rotkin.

"Dette arbejde giver os dybere viden om overordnede optiske egenskaber af 2D-materialer," sagde Rotkin. "Vi afslørede nogle af mekanismerne for en specifik struktur, grafen og MoS2. Men vores nanobilledmetode kan anvendes på mange andre, hvis ikke alle. Vi håber også at tiltrække yderligere opmærksomhed til fysikken i 2D-materiale heterostrukturer såsom vores kompositmateriale. materiale, der kombinerede egenskaberne af grafen og MoS2 enkeltlagsmaterialer."

De næste trin for denne forskning vil omfatte anvendelse af materialekomponenten i deres arbejde til andre projekter på 2DCC, herunder dem, der involverer kvanteplasmonik og 2D ikke-lineær optik. Derudover vil forskerholdet lede efter partnere til at forske i praktiske anvendelser.

"Da mærkefri påvisning er universel, er vi ikke begrænset af en type analyt, anvendelse eller problem," sagde Rotkin. "Alligevel skal der være nogen med et reelt problem for at anvende tilgangen. Vi leder efter samarbejdspartnere fra medicinens verden til noget spændende ny fælles forskning." + Udforsk yderligere

Hurtig, on-site stofdetektionsnøgle til at reducere virkningerne af afhængighedskrise