Många områden inom grundforskningen är intresserade av grafen på grund av dess exceptionella egenskaper. Den är gjord av ett lager av kolatomer, vilket gör den lätt och robust, och det är en utmärkt termisk och elektrisk ledare. Trots dess till synes obegränsade potential, dock, få ansökningar har visats hittills. Forskare vid EPFL:s Bionanophotonic Systems Laboratory (BIOS) tillsammans med forskare från Institute of Photonic Sciences (ICFO, Spanien) har nu lagt till ytterligare en. De har utnyttjat grafens unika optiska och elektroniska egenskaper för att utveckla en omkonfigurerbar mycket känslig molekylsensor.

Resultaten beskrivs i en artikel i den senaste upplagan av tidskriften Vetenskap .

Fokusera ljus för att förbättra avkänningen

Forskarna använde grafen för att förbättra en välkänd metod för molekyldetektion:infraröd absorptionsspektroskopi. I standardmetoden, ljus används för att excitera molekylerna, som vibrerar olika beroende på deras natur. Det kan jämföras med en gitarrsträng, som gör olika ljud beroende på dess längd. På grund av denna vibration, molekylerna avslöjar sin närvaro och till och med sin identitet. Denna "signatur" kan "läsas" i det reflekterade ljuset.

Denna metod är inte effektiv, dock, vid detektering av nanometriskt stora molekyler. Våglängden för den infraröda fotonen riktad mot en molekyl är cirka 6 mikron (6, 000 nanometer - 0,006 millimeter), medan målet endast mäter några få nanometer (cirka 0,000001 mm). Det är mycket utmanande att upptäcka vibrationen hos en så liten molekyl i reflekterat ljus.

Det är där grafen kommer in. Om man får rätt geometri, grafenen kan fokusera ljuset på en exakt punkt på dess yta och "höra" vibrationen från en nanometrisk molekyl som är fäst vid den. "Vi mönstrar först nanostrukturer på grafenytan genom att bombardera den med elektronstrålar och etsa den med syrejoner, sa Daniel Rodrigo, medförfattare till publikationen. "När ljuset kommer, elektronerna i grafen nanostrukturer börjar svänga. Detta fenomen, känd som 'lokaliserad ytplasmonresonans, ' tjänar till att koncentrera ljuset till små fläckar, som är jämförbara med målmolekylernas dimensioner. Det är då möjligt att upptäcka nanometriska strukturer."

Konfigurera om grafen i realtid för att se molekylens struktur

Det finns mer i det. Förutom att identifiera förekomsten av nanometriska molekyler, denna process kan också avslöja vilken typ av bindningar som förbinder atomerna som molekylen består av.

När en molekyl vibrerar, den avger inte bara en typ av "ljud". Den producerar en hel rad vibrationer, som genereras av bindningarna som förbinder de olika atomerna. För att återgå till exemplet med gitarren:varje sträng vibrerar olika och tillsammans bildar de ett musikinstrument. Dessa nyanser ger information om arten av varje bindning och om hela molekylens hälsa. "Dessa vibrationer fungerar som ett fingeravtryck som gör att vi kan identifiera molekylen, såsom proteiner, och kan till och med berätta om deras hälsostatus", sa Odeta Limaj, en annan medförfattare till publikationen.

För att fånga upp ljudet från var och en av strängarna, det måste vara möjligt att identifiera ett helt spektrum av frekvenser. Och det är något grafen kan göra. Forskarna "justerade" grafenet till olika frekvenser genom att applicera spänning, vilket inte är möjligt med strömsensorer. Att få grafens elektroner att svänga på olika sätt gör det möjligt att "läsa" alla vibrationer av molekylen på dess yta. "Vi testade den här metoden på proteiner som vi fäste på grafenet. Det gav oss en fullständig bild av molekylen, " sa Hatice Altug.

Ett stort steg närmare att använda grafen för molekylavkänning

Den nya grafenbaserade processen representerar ett stort steg framåt för forskarna, av olika anledningar. Först, denna enkla metod visar att det är möjligt att utföra en komplex analys med endast en enhet, medan det normalt kräver många olika. Och allt detta utan att stressa eller modifiera det biologiska provet. Andra, den visar grafens otroliga potential inom detektionsområdet. "Det finns många möjliga tillämpningar, " sa Altug. "Vi fokuserade på biomolekyler, men metoden bör också fungera för polymerer, och många andra ämnen, " tillade hon.