宾夕法尼亚州立大学
(前景)阿霉素分子，使用范德华垂直异质结构生物传感器检测
(背景)异质结构的实际纳米级光学图像(sSNOM):大三角形是单层MoS2岛(ca
三
7微米宽)；较小的三角形是部分氧化的MoOS岛；整个样品被单层石墨烯覆盖，地图上清晰可见几条皱纹；较暗的石墨烯区域对应于额外电荷掺杂区域
信用:詹妮弗·M
麦肯/罗特金集团 据一组研究人员称，一种检测二维(2D)材料光学特性不均匀性的新方法可能会为这些材料的新用途打开大门，例如将2D材料应用于药物检测
斯拉瓦五世说:“二维晶体联盟(2DCC)是2D材料研究的世界领导者，我的实验室经常与2DCC合作，为新型2D材料进行材料表征。”
罗特金，工程科学和力学前沿教授，在宾夕法尼亚州立大学材料研究所任职
“在这些研究中有一个很大的挑战:通常，2D材料的光学特性在空间中是不均匀的
此外，它们可能在非常小的空间尺度上变化，低至单个原子
" 识别和理解这种性质的可变性对于2D材料的某些应用是极其重要的，这种材料只有一到几个原子厚
这种原子级薄材料具有最终的表面体积比，可以具有纳米尺度的表面不均匀性
这包括原子杂质、吸附物、缺陷、褶皱、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2D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可变性，”罗特金说
“由于它们非常小，光学工具无法检测到，非光学工具也无法分辨光学对比度
" 罗特金和其他研究人员能够朝着一个可能的解决方案迈出一步，这在ACS Nano最近的一项研究中有所概述
这种解决方案可能会使2D材料更好地应用于医学传感
研究人员使用石墨烯、石墨的2D材料版本和无机化合物二硫化钼(二硫化钼)制成的异质结构材料进行了实验
二硫化钼发出光致发光信号，检测石墨烯和二硫化钼层之间的电荷转移量，因此可以检测生物分析物(在本例中为癌症治疗药物阿霉素(DOX))引起的变化，这些变化会影响电荷
然而，石墨烯本身可以通过拉曼光谱分析来检测这些变化，拉曼光谱可以检测分子中独特的振动
拉曼显微镜捕捉到由这些振动引起的激光光束中光子频率的偏移
罗特金说:“这两个通道结合在一起，可以根据分析物浓度和分析物类型更好地校准两个信号。”
“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癌症药物，迫切需要好的医疗设备，包括传感器
两种类型的生物传感器是无标记生物传感器和基于标记的生物传感器，前者可用于检测多种药物，后者只能检测特定药物
研究人员使用无标签生物传感
Rotkin说:“基于标签的生物传感器就像一把只能用一把钥匙打开的锁，但无标签的生物传感器就像一把有很多不同钥匙的锁。”
“我们没有发明无标签的多模态生物传感，这种方法已经在其他研究中使用过
但是使用特定材料的实际演示是新的，它本身仍然很重要
" 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
“我们通过在一个设备中合并几个传感器来实现它，把锁和钥匙的类比想象成一个链条上的三把锁，”Rotkin说，“具体来说，我们把DOX应用到我们的2D材料上，它产生三种不同的光信号，构成了一种多模态传感。”
通过同时测量三个信号，而不是像普通传感器那样只测量一个信号，这使得我们能够使用无标签生物传感来检测DOX
" 虽然罗特金强调，他们只是在研究中给出了一个原理的演示，但这种无标签生物传感的新机制有潜在的应用
可能存在这样的传感器，其能够以最少的样品制备、较短的时间范围、低检测限和使用包含除关键分析物之外的物质的样品来实现感兴趣的生物、化学和/或医学分析物的无标记感测
这可能导致解决各种医疗保健挑战的步骤
Rotkin说:“记住基础研究和它的应用之间存在差距，我会说我们为构建一大套用于生物传感和其他应用的纳米技术/纳米材料贡献了一块砖。”
“无标签检测为智能和集成传感器、新的生物威胁安全技术、更个性化的药物和治疗以及其他益处奠定了基础
" 同时，根据罗特金的说法，这项研究还有更直接的好处
罗特金说:“这项工作让我们对2D材料的整体光学特性有了更深入的了解。”
“我们发现了一种特定结构的一些机制，石墨烯和二硫化钼
但是我们的纳米成像方法即使不是适用于所有人，也适用于许多其他人
此外，我们希望吸引更多的注意力到2D材料异质结构的物理，例如我们的复合材料，它结合了石墨烯和二硫化钼单层材料的特性
" 这项研究的下一步将包括将他们工作的材料部分应用于2DC的其他项目，包括那些涉及量子等离子体和2D非线性光学的项目
此外，研究团队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，需要有真正有问题的人来应用这种方法
我们正在寻找来自医学界的合作者，进行一些令人兴奋的新的联合研究
"
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