Ett nytt och bättre tillvägagångssätt för att upptäcka ojämnheter i de optiska egenskaperna hos tvådimensionella (2D) material kan potentiellt öppna dörren till nya användningsområden för dessa material, såsom tillämpningen av 2D-material för drogdetektering, enligt ett team av forskare.

"The Two-Dimensional Crystal Consortium (2DCC) är världsledande inom 2D-materialforskning och mitt labb arbetar ofta med 2DCC och gör materialkarakterisering för nya 2D-material", säger Slava V. Rotkin, Frontier Professor of Engineering Science and Mechanics med en utnämning i Materials Research Institute i Penn State. "Det finns en stor utmaning i dessa studier:Ofta är optiska egenskaper hos 2D-material inte enhetliga i rymden. Dessutom kan de variera i mycket liten rumslig skala, ner till en enda atom."

Att identifiera och förstå en sådan variation av egenskaper kan vara extremt viktigt för vissa tillämpningar av 2D-material, som är material som är en till några atomer tjocka. Sådana atomärt tunna material, som har ett yttersta yta-till-volymförhållande, kan ha ytojämnheter på nanometerskala. Detta inkluderar atomära föroreningar, adsorbater, defekter, rynkor, bristningar och så vidare. Sådana egenskaper kan modulera de optiska egenskaperna och resultera i variationer i materialens egenskaper.

"Trots att detta är avgörande för effektiviteten i viss tillämpning av 2D-material, finns det för närvarande ingen verkligt effektiv metod för att upptäcka dessa variationer," sa Rotkin. "På grund av att de är så små kan de inte upptäckas av optiska verktyg och icke-optiska verktyg kan inte lösa optisk kontrast."

Rotkin och andra forskare kunde ta ett steg mot en möjlig lösning, vilket beskrevs i en nyligen genomförd studie i ACS Nano . Denna lösning skulle potentiellt leda till bättre tillämpningar av 2D-material för medicinsk avkänning.

Forskarna genomförde experiment med ett heterostrukturmaterial tillverkat av grafen, 2D-materialversionen av grafit och den oorganiska föreningen molybdendisulfid (MoS2). MoS2 ger en fotoluminescenssignal som detekterar mängden laddningsöverföring mellan grafen- och MoS2-lagren och kan därför upptäcka förändringar på grund av bioanalyten, i det här fallet cancerbehandlingsläkemedlet doxorubicin (DOX), som kan påverka laddningen. Däremot kan grafen själv upptäcka dessa förändringar via analys med Raman-spektroskopi, som upptäcker unika vibrationer i molekyler. Raman-mikroskopet fångar upp förändringar i frekvensen av fotoner i laserljusstrålen som orsakas av dessa vibrationer.

"De två kanalerna tillsammans möjliggör en bättre kalibrering av två signaler mot analytkoncentration och typ av analyt," sa Rotkin. "Och dessutom förstärker grafen Raman-signalen för själva analyten i den utsträckning man kan "se" en signal från bara några få molekyler."

Forskarna använde DOX som sin analyt eftersom det är ett vanligt cancerläkemedel, och det finns ett akut behov av bra medicinsk utrustning för det, inklusive sensorer. Två typer av biosensorer är etikettfria biosensorer, som kan användas för att detektera en mängd olika läkemedel, och etikettbaserade biosensorer, som endast kan detektera ett specifikt läkemedel. Forskarna använde etikettfri biosensing.

"Den etikettbaserade biosensorn är som ett lås som kan öppnas med bara en nyckel, men den etikettfria biosensorn är som ett lås med många olika nycklar," sa Rotkin. "Vi uppfann inte etikettfri multimodal biosensing, det här tillvägagångssättet har varit i andra studier. Men en faktisk demonstration med ett specifikt material är nytt och fortfarande viktigt i sig."

Detta är viktigt eftersom etikettfri biosensing är mer utmanande än etikettbaserad biosensing.

"Vi får det att fungera genom att slå samman flera sensorer i en enhet, tänk på lås- och nyckelanalogin som tre lås på en kedja," sa Rotkin. en multimodal avkänning. Genom att mäta tre signaler samtidigt istället för bara en som i en vanlig sensor, gör detta att vi kan detektera DOX med hjälp av etikettfri biosensing."

Även om Rotkin betonar att de bara gav en demonstration av principen i studien, finns det potentiella tillämpningar av denna nya mekanism för etikettfri biosensing. Det kan potentiellt finnas sensorer som möjliggör märkningsfri avkänning av bio-, kemiska och/eller medicinska analyter av intresse med minimal provberedning, inom en förkortad tidsram, med låga detektionsgränser och med användning av prover som innehåller andra ämnen än nyckelanalyten.

Detta kan leda till steg för att lösa olika hälsovårdsutmaningar.

"Med tanke på att det finns ett gap mellan grundforskning och dess tillämpningar, skulle jag säga att vi bidrog med en tegelsten för att bygga en stor uppsättning av nanoteknik/nanomaterial för biosensing och andra tillämpningar," sa Rotkin. "Etikettfri detektion lägger grunden för smarta och integrerade sensorer, nya biohotsäkerhetstekniker och mer individualiserad medicin och behandlingar, bland andra fördelar."

Under tiden finns det också mer omedelbara fördelar med denna forskning, enligt Rotkin.

"Detta arbete ger oss djupare kunskap om övergripande optiska egenskaper hos 2D-material," sa Rotkin. "Vi avslöjade några av mekanismerna för en specifik struktur, grafen och MoS2. Men vår nanoavbildningsmetod är tillämplig på många andra, om inte alla. Vi hoppas också kunna locka ytterligare uppmärksamhet till fysiken i 2D-materialheterostrukturer som vår komposit. material som kombinerade egenskaperna hos grafen och MoS2 enskiktsmaterial."

Nästa steg för denna forskning kommer att inkludera att tillämpa materialkomponenten i deras arbete på andra projekt vid 2DCC, inklusive de som involverar kvantplasmonik och 2D icke-linjär optik. Dessutom kommer forskargruppen att leta efter partners för att forska i praktiska tillämpningar.

"Eftersom etikettfri detektion är universell, är vi inte begränsade av en typ av analyt, applikation eller problem," sa Rotkin. "Ändå måste det finnas någon med ett verkligt problem för att tillämpa metoden. Vi söker medarbetare från medicinvärlden för ny spännande gemensam forskning." + Utforska vidare

Snabb, på plats narkotikadetektering nyckel för att minska effekterna av missbrukskris