石墨烯传感器可让小分子“现形”
时间:
2017-10-19
来源:
科技日报
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尽管科学家因为石墨烯无与伦比的属性而对其青睐有加，但迄今为止，其实际应用仍然乏善可陈。不过，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）生物纳米系统实验室和西班牙光子科学研究所的科学家们在最新一期的《科学》杂志上宣称，他们利用石墨烯独特的光学和电子学属性，研制出了一种具有超高灵敏度的分子传感器，可以探测蛋白质或药物小分子的详细信息。
在红外吸收光谱学这种标准的探测方法中，光被用来激活分子。不同分子的振动不同，借由这种振动，分子会显示其存在甚至表现自己的“性格”。这些“蛛丝马迹”可在反射光中“读出”。但在探测纳米大小的分子时，这一方法的表现差强人意。因为照射分子的红外光子的波长约为6微米，而目标分子仅几个纳米，很难在反射光中探测到如此微小分子的振动。
于是，石墨烯受命于危难之间。研究合作者丹尼尔·罗德里戈解释道，如果让石墨烯拥有合适的几何形状，其就能将光聚焦在表面上的某个特定点上，并“倾听”附着其上的纳米分子的振动。他说：“通过使用电子束轰击并使用氧离子蚀刻，我们在石墨烯表面弄了一些纳米结构。当光到达时，纳米结构内的电子会振荡，产生的‘局域表面等离子体共振’可将光聚集在某个点上，其与目标分子的尺度相当，因此，能探测纳米大小的结构。”
除此之外，这一过程也能揭示组成分子的原子键的属性。研究人员称，当分子振动时，连接不同原子的原子键会产生多种振动，不同振动之间的细微差别可提供与每个键的属性以及整个分子的健康状况有关的信息。为了找出每个原子键发出的“声音”从而确定所有的频率，需要用到石墨烯。在实验中，研究人员对石墨烯施加不同的电压，让其“调谐”到不同的频率，从而能“阅读”其表面上的分子的所有振动情况，而使用目前的传感器无法做到这一点。研究人员海蒂斯·奥特格说：“我们让蛋白质附着在石墨烯上，并用这一方法，得到了分子全方位的信息。”
研究人员表示，这种简单的方法表明，石墨烯在探测领域拥有不可思议的潜能，奥特格表示：“尽管我们研究的是生物分子，但这一方法或许也适用于聚合物和其他物质。”
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