一个新的和更好的方法来检测二维 (2D) 材料的光学特性的不均匀性，可能会为这些材料的新用途打开大门，例如将二维材料应用于药物检测。研究人员。

“二维晶体联盟 (2DCC) 是二维材料研究的世界领先者，我的实验室经常与 2DCC 合作，为新型二维材料进行材料表征，”工程科学与力学前沿教授 Slava V. Rotkin 说。在宾夕法尼亚州立大学材料研究所任职。“这些研究面临着一个巨大的挑战：二维材料的光学特性通常在空间中并不均匀。此外，它们可能在非常小的空间尺度上变化，小到单个原子。”

识别和理解这种特性的可变性对于二维材料的某些应用可能非常重要，二维材料是一到几个原子厚的材料。这种具有最终表面与体积比的原子级薄材料可能具有纳米级的表面不均匀性。这包括原子杂质、吸附物、缺陷、皱纹、破裂等。这些特征可以调节光学特性并导致材料特性的可变性。

“尽管这对于二维材料的某些应用的有效性至关重要，但目前还没有真正有效的方法来检测这些变化，”Rotkin 说。“由于它们非常小，光学工具无法检测到它们，非光学工具无法解决光学对比度问题。”

Rotkin 和其他研究人员能够朝着可能的解决方案迈出一步，该解决方案在ACS Nano最近的一项研究中进行了概述。该解决方案可能会导致二维材料在医学传感中的更好应用。

研究人员使用由石墨烯、石墨的二维材料版本和无机化合物二硫化钼 (MoS2) 制成的异质结构材料进行了实验。MoS2 发出光致发光信号，可检测石墨烯和 MoS2 层之间的电荷转移量，因此可以检测由于生物分析物（在这种情况下是癌症治疗药物阿霉素 (DOX)）引起的变化，它会影响电荷。然而，石墨烯本身可以通过拉曼光谱分析来检测这些变化，拉曼光谱检测分子中的独特振动。拉曼显微镜检测由这些振动引起的激光束中光子频率的变化。

“这两个通道一起可以更好地校准两个信号对分析物浓度和分析物的类型，”Rotkin 说。“此外，石墨烯增强了分析物本身的拉曼信号，以至于人们可以‘看到’来自几个分子的信号。”

研究人员使用 DOX 作为他们的分析物，因为它是一种常见的抗癌药物，并且迫切需要用于它的良好医疗设备，包括传感器。两种类型的生物传感器是可用于检测多种药物的无标记生物传感器和仅可检测特定药物的基于标记的生物传感器。研究人员使用了无标记生物传感。

“基于标签的生物传感器就像一把锁，只能用一把钥匙打开，但无标签的生物传感器就像一把锁，有许多不同的钥匙，”罗特金说。“我们没有发明无标记多模式生物传感，这种方法已经在其他研究中使用。但是使用特定材料的实际演示是新的，并且本身仍然很重要。”

这很重要，因为无标签生物传感比基于标签的生物传感更具挑战性。

“我们通过将多个传感器合并到一个设备中来使其工作，将锁和钥匙类比为一条链上的三把锁，”Rotkin 说，“具体来说，我们将 DOX 应用于我们的 2D 材料，它产生三种不同的光信号，构成多模式传感。通过一次测量三个信号，而不是像普通传感器那样只测量一个信号，这使我们能够使用无标记生物传感检测 DOX。

虽然 Rotkin 强调他们只是在研究中展示了这一原理，但这种无标记生物传感的新机制仍有潜在应用。可能有传感器能够以最少的样品制备，在较短的时间范围内，以低检测限，并使用含有除关键分析物以外的物质的样品，对感兴趣的生物、化学和/或医学分析物进行无标记感测。

这可能会导致解决各种医疗保健挑战的步骤。

“请记住，基础研究与其应用之间存在差距，我想说我们为构建大量用于生物传感和其他应用的纳米技术/纳米材料做出了贡献，”罗特金说。“无标签检测为智能和集成传感器、新的生物威胁安全技术和更加个性化的药物和治疗以及其他好处奠定了基础。”

Rotkin 表示，与此同时，这项研究也有更直接的好处。

“这项工作让我们对二维材料的整体光学特性有了更深入的了解，”Rotkin 说。“我们发现了一种特定结构，石墨烯和 MoS2 的一些机制。但我们的纳米成像方法适用于许多其他方法，如果不是全部的话。此外，我们希望引起对二维材料异质结构物理的更多关注，例如我们的复合材料结合了石墨烯和 MoS2 单层材料特性的材料。”

这项研究的下一步将包括将他们工作的材料组件应用于 2DCC 的其他项目，包括那些涉及量子等离子体和二维非线性光学的项目。此外，研究团队还将寻找合作伙伴来研究实际应用。

“由于无标记检测是普遍的，我们不受分析物类型、应用或问题的限制，”Rotkin 说。“不过，需要有人有真正的问题来应用这种方法。我们正在寻找来自医学界的合作者，以进行一些令人兴奋的新联合研究。”