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高灵敏度的石墨烯传感器

发布日期:2015-07-22

图片说明:如果石墨烯的结构设计合理,它就能将光束以精确的光斑形状聚焦在石墨烯表面,从而检测粘附于石墨烯表面的纳米分子的振动情况。图片来源: EPFL / Miguel Spuch / Daniel Rodrigo

由于石墨烯具有独特的性质,许多基础研究领域都对它十分感兴趣。石墨烯是单层碳原子结构,因而重量较轻且极其坚固。此外,石墨烯还是极好的导热及导电材料。虽然石墨烯具有如此明显及广泛的潜在用途,但迄今为止,对其实际的应用还是十分稀少。如今,来自洛桑联邦理工学院(EPFL)生物纳米光子系统实验室(BIOS)的科学家及西班牙光子科学研究所(ICFO)的研究人员向人们展示了一个与石墨烯有关的应用实例。因为石墨烯具有独特的电光特性,研究者们开发了一款可重构的高灵敏分子传感器。

通过聚光改善检测灵敏度

研究人员利用石墨烯来改进这种分子检测方法,即红外吸收光谱法。在标准的检测方法中,光束能够刺激分子,这些分子根据自身特质而发出不同的振动。这就好比琴弦,不同长度的琴弦发出的声音不同。通过观察分子的振动,人们便可获取分子的各种信息。

然而,对于纳米结构的分子来说,红外吸收光谱法的效果并不明显。红外光子的波长大约为6微米(6000纳米-0.006毫米),而待测的分子只有几个纳米(约0.000001毫米)。因此,想通过反射光来检测如此小分子的振动是极具挑战的任务。

这正是石墨烯发挥作用的地方。如果石墨烯的结构设计合理,它就能将光束精确地聚焦于表面,从而检测粘附于表面的纳米分子的振动情况。论文的作者之一Daniel Rodrigo表示:首先,通过电子束照射或者氧离子束刻蚀的方法将纳米结构附着在石墨烯表面,当光束照射到纳米结构上时,石墨烯纳米结构中的电子便开始振动。这种现象被称为局域表面等离子体共振,它能将光束汇聚成极细的、和待测分子大小相当的光斑。从而便于对纳米结构进行检测。

图片说明:通过对不同振动频率的石墨烯电子进行检测,便有可能了解石墨烯表面分子的所有振动特性。图片来源:Science / EPFL / Miguel Spuch / Daniel Rodrigo

实时重构石墨烯,检测分子的结构

石墨烯的用途还有很多。除了可用于辨别纳米分子外观外,该方法也能揭示分子中原子键合的本质。

分子振动时,并不是以单一的频率振动,而是所有振动频率的叠加。正如吉他一样:每根琴弦的振动频率有所不同,只有将各琴弦整合在一起才能构成一台能弹奏出不同音符的音乐设备。这些细微差别可为了解原子键的本质及整个分子的状况提供信息。论文的另一作者Odeta Limaj道:这些振动就好比指纹谱一样,通过它们我们就能分辨出各种分子,如:蛋白质,甚至还可以知晓它们的健康状况。

为了明确各琴弦所发出的声音,必须有能力对整个频率范围进行辨别。而这正是石墨烯的长处。通过施加不同的电压,研究人员可调节石墨烯的频率,而这是当前各类传感器无法企及的。Hatice Altug说:通过将蛋白质粘附在石墨烯表面,我们测试了这一方法可行性。同时,我们还获得了蛋白质分子的全部信息。

迈向石墨烯分子传感领域的一大步

对研究人员而言,该研究是石墨烯分子传感领域的一大突破。主要基于以下几个原因:首先,该方法能减少设备的使用,仅需一台仪器就能完成这一系列复杂的分析。而通常情况下,进行一项复杂分析需要多台不同的仪器。其次,整个过程对生物样品进行的是无损检测分析。此外,该研究显示了石墨烯在分子检测领域的潜在应用。Altug认为:石墨烯的应用十分广泛,我们的研究主要集中在生物分子领域,但是该方法对聚合物及其他许多物质的检测应该也同样适用。

文章来源:科学之家






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