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石墨烯加等離激元 實現(xiàn)紅外光譜生物分子原位檢測
2022年06月02日 14:57:12
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：宋池 點擊量：4576
近日，國家納米科學(xué)中心納米光子材料與器件實驗室（以下簡稱光子室）研究團隊通過自主開發(fā)出的石墨烯增強液相紅外傳感器實現(xiàn)了紅外光譜技術(shù)在生理環(huán)境下原位識別納米級蛋白質(zhì)的振動指紋，同時采用電學(xué)調(diào)控方法有效消除了液相環(huán)境水信號干擾。該研究成果發(fā)表在《先進材料》上。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】近日，國家納米科學(xué)中心納米光子材料與器件實驗室(以下簡稱光子室)研究團隊通過自主開發(fā)出的石墨烯增強液相紅外傳感器實現(xiàn)了紅外光譜技術(shù)在生理環(huán)境下原位識別納米級蛋白質(zhì)的振動指紋，同時采用電學(xué)調(diào)控方法有效消除了液相環(huán)境水信號干擾。該研究成果發(fā)表在《先進材料》上。
紅外光譜技術(shù)作為一種“快速”“無損”的檢測技術(shù)，在生物分子的化學(xué)鍵和官能團研究具有非常大的優(yōu)勢。然而將紅外光譜技術(shù)應(yīng)用于生物分子檢測存在兩個必須解決的問題：1.紅外波長一般在微米尺度，而生物分子的大小往往在納米尺度，兩者的尺寸差距超過了3個數(shù)量級，導(dǎo)致利用紅外光譜檢測生物分子時光信號微弱；2.水是一種極性分子，具有強烈和廣泛的紅外吸收，會掩蓋生物分子關(guān)鍵頻段的振動指紋。
為解決這兩大問題，研究團隊利用等離激元現(xiàn)象和近年來獲得廣泛應(yīng)用的新材料石墨烯研發(fā)出了一種可以增強紅外光譜的傳感器。
等離激元是導(dǎo)電材料上一種獨特的物理現(xiàn)象，入射光驅(qū)動材料中的自由電荷產(chǎn)生光頻的集體振蕩，形成的電磁模式可以“聚焦”和“放大”入射光的信號。而石墨烯具有單原子層的厚度、高載流子遷移率、狄拉克電子特性以及電學(xué)可調(diào)等優(yōu)勢，作為等離激元現(xiàn)象的載體，在紅外波段可以有效放大待測分子的紅外信號。研究團隊通過對石墨烯納米結(jié)構(gòu)設(shè)計和等離激元調(diào)控規(guī)律研究，排除了周圍介電環(huán)境對石墨烯等離激元易的強烈干擾，解決了紅外光譜技術(shù)檢測納米級別生物分子信號微弱的問題。
而針對水溶液的干擾，研究團隊的解決辦法是通過雙電層對石墨烯進行電學(xué)調(diào)控可將等離激元熱點外的背景信號原位扣除，同時利用石墨烯的疏水表面可有效吸附溶液中的蛋白質(zhì)分子到其熱點區(qū)域，并把水分子排除在熱點區(qū)域以外的特性。在這一思路指導(dǎo)下，研究團隊設(shè)計了能夠保證紅外光在液體環(huán)境下的穩(wěn)定光程和高透過率的超薄透射紅外液體流通池，并構(gòu)筑了在生理環(huán)境中進行有效電學(xué)調(diào)控的石墨烯納米結(jié)構(gòu)。
在實驗中，研究團隊研發(fā)的石墨烯等離激元增強液相紅外傳感器能夠在生理環(huán)境下有效效激發(fā)可調(diào)諧的石墨烯等離激元響應(yīng)，減少了水溶液的信號干擾，將光譜檢測的靈敏度提高到了2納米水平。這種傳感器是一種可拆卸附件，可以兼容商用顯微紅外光譜儀的測量模式。
編輯點評：石墨烯等離激元增強液相紅外傳感器的成功研制將紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用拓展到納米級別的生物分子檢測，是紅外光譜技術(shù)的一大進步。同時也為研究生理環(huán)境下納米級的生物界面和過程提供了新平臺，這對于生物學(xué)與醫(yī)學(xué)研究都有重要意義。
(資料來源：中國科學(xué)報)
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