近日，國(guó)家納米科學(xué)中心納米光子材料與器件實(shí)驗(yàn)室(以下簡(jiǎn)稱光子室)研究團(tuán)隊(duì)通過自主開發(fā)出的石墨烯增強(qiáng)液相紅外傳感器實(shí)現(xiàn)了紅外光譜技術(shù)在生理環(huán)境下原位識(shí)別納米級(jí)蛋白質(zhì)的振動(dòng)指紋，同時(shí)采用電學(xué)調(diào)控方法有效消除了液相環(huán)境水信號(hào)干擾。該研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》上。
紅外光譜技術(shù)作為一種“快速”“無損”的檢測(cè)技術(shù)，在生物分子的化學(xué)鍵和官能團(tuán)研究具有非常大的優(yōu)勢(shì)。然而將紅外光譜技術(shù)應(yīng)用于生物分子檢測(cè)存在兩個(gè)必須解決的問題：1.紅外波長(zhǎng)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(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致利用紅外光譜檢測(cè)生物分子時(shí)光信號(hào)微弱；2.水是一種極性分子，具有強(qiáng)烈和廣泛的紅外吸收，會(huì)掩蓋生物分子關(guān)鍵頻段的振動(dòng)指紋。
為解決這兩大問題，研究團(tuán)隊(duì)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(qiáng)紅外光譜的傳感器。
等離激元是導(dǎo)電材料上一種獨(dú)特的物理現(xiàn)象，入射光驅(qū)動(dòng)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(hào)。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(shì)，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(cè)分子的紅外信號(hào)。研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)石墨烯納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和等離激元調(diào)控規(guī)律研究，排除了周圍介電環(huán)境對(duì)石墨烯等離激元易的強(qiáng)烈干擾，解決了紅外光譜技術(shù)檢測(cè)納米級(jí)別生物分子信號(hào)微弱的問題。
而針對(duì)水溶液的干擾，研究團(tuán)隊(duì)的解決辦法是通過雙電層對(duì)石墨烯進(jìn)行電學(xué)調(diào)控可將等離激元熱點(diǎn)外的背景信號(hào)原位扣除，同時(shí)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(diǎn)區(qū)域，并把水分子排除在熱點(diǎn)區(qū)域以外的特性。在這一思路指導(dǎo)下，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(jìn)行有效電學(xué)調(diào)控的石墨烯納米結(jié)構(gòu)。
在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的石墨烯等離激元增強(qiáng)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(hào)干擾，將光譜檢測(cè)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(cè)量模式。
編輯點(diǎn)評(píng)：石墨烯等離激元增強(qiáng)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(jí)別的生物分子檢測(cè)，是紅外光譜技術(shù)的一大進(jìn)步。同時(shí)也為研究生理環(huán)境下納米級(jí)的生物界面和過程提供了新平臺(tái)，這對(duì)于生物學(xué)與醫(yī)學(xué)研究都有重要意義。
(資料來源：中國(guó)科學(xué)報(bào))
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