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瑞士科學家成功利用石墨烯研制出具有超高靈敏度的分子傳感器

盡管科學家因為石墨烯無與倫比的屬性而對其青睐有加,但迄今為止,其實際應用仍然乏善可陳。不過,瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)生物納米系統實驗室和西班牙光子科學研究所的科學家們在最新一期的《科學》雜志上宣稱,他們利用石墨烯獨特的光學和電子學屬性,研制出了一種具有超高靈敏度的分子傳感器,可以探測蛋白質或藥物小分子的詳細信息。

在紅外吸收光譜學這種标準的探測方法中,光被用來激活分子。不同分子的振動不同,借由這種振動,分子會顯示其存在甚至表現自己的“性格”。這些“蛛絲馬迹”可在反射光中“讀出”。但在探測納米大小的分子時,這一方法的表現差強人意。因為照射分子的紅外光子的波長約為6微米,而目标分子僅幾個納米,很難在反射光中探測到如此微小分子的振動。

于是,石墨烯受命于危難之間。研究合作者丹尼爾·羅德裡戈解釋道,如果讓石墨烯擁有合适的幾何形狀,其就能将光聚焦在表面上的某個特定點上,并“傾聽”附着其上的納米分子的振動。他說:“通過使用電子束轟擊并使用氧離子蝕刻,我們在石墨烯表面弄了一些納米結構。當光到達時,納米結構内的電子會振蕩,産生的‘局域表面等離子體共振’可将光聚集在某個點上,其與目标分子的尺度相當,因此,能探測納米大小的結構。”

除此之外,這一過程也能揭示組成分子的原子鍵的屬性。研究人員稱,當分子振動時,連接不同原子的原子鍵會産生多種振動,不同振動之間的細微差别可提供與每個鍵的屬性以及整個分子的健康狀況有關的信息。為了找出每個原子鍵發出的“聲音”從而确定所有的頻率,需要用到石墨烯。在實驗中,研究人員對石墨烯施加不同的電壓,讓其“調諧”到不同的頻率,從而能“閱讀”其表面上的分子的所有振動情況,而使用目前的傳感器無法做到這一點。研究人員海蒂斯·奧特格說:“我們讓蛋白質附着在石墨烯上,并用這一方法,得到了分子全方位的信息。”

研究人員表示,這種簡單的方法表明,石墨烯在探測領域擁有不可思議的潛能,奧特格表示:“盡管我們研究的是生物分子,但這一方法或許也适用于聚合物和其他物質。”

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