石墨烯加等離激元 實現紅外光譜生物分子原位檢測
【化工儀器網 項目成果】近日，國家納米科學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出的石墨烯增強液相紅外傳感器實現了紅外光譜技術在生理環境下原位識別納米級蛋白質的振動指紋，同時采用電學調控方法有效消除了液相環境水信號干擾。該研究成果發表在《先進材料》上。
紅外光譜技術作為一種“快速”“無損”的檢測技術，在生物分子的化學鍵和官能團研究具有非常大的優勢。然而將紅外光譜技術應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個數量級，導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象和近年來獲得廣泛應用的新材料石墨烯研發出了一種可以增強紅外光譜的傳感器。
等離激元是導電材料上一種獨特的物理現象，入射光驅動材料中的自由電荷產生光頻的集體振蕩，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可調等優勢，作為等離激元現象的載體，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構設計和等離激元調控規律研究，排除了周圍介電環境對石墨烯等離激元易的強烈干擾，解決了紅外光譜技術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調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分子到其熱點區域，并把水分子排除在熱點區域以外的特性。在這一思路指導下，研究團隊設計了能夠保證紅外光在液體環境下的穩定光程和高透過率的超薄透射紅外液體流通池，并構筑了在生理環境中進行有效電學調控的石墨烯納米結構。
在實驗中，研究團隊研發的石墨烯等離激元增強液相紅外傳感器能夠在生理環境下有效效激發可調諧的石墨烯等離激元響應，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的應用拓展到納米級別的生物分子檢測，是紅外光譜技術的一大進步。同時也為研究生理環境下納米級的生物界面和過程提供了新平臺，這對于生物學與醫學研究都有重要意義。
(資料來源：中國科學報)
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