Nature 子刊|新型石墨烯基器件是向超灵敏生物传感器迈进的第一步
明尼苏达大学科学与工程学院的研究人员使用奇迹材料石墨烯开发了一种独特的新设备，这为超灵敏生物传感器在分子水平上以近乎完美的效率检测疾病迈出了第一步。
明尼苏达大学科学与工程学院的研究人员使用奇迹材料石墨烯开发了一种独特的新设备，这为超灵敏生物传感器在分子水平上以近乎完美的效率检测疾病迈出了第一步。
用于探测蛋白质结构的超灵敏生物传感器可以极大地提高对人类和动物的各种疾病的诊断深度。这些疾病包括阿尔茨海默病，慢性消耗性疾病和与蛋白质错误折叠有关的疯牛病。这些生物传感器还可以改进开发新药物化合物的技术。
该研究发表在自然出版集团出版的同行评审科学期刊Nature Nanotechnology上。
“为了检测并治疗这些疾病，我们需要能够检测微量的蛋白质分子，并了解它们的结构，”明尼苏达大学电气与计算机工程教授兼该研究的首席研究员Sang-Hyun Oh说。“目前，该过程存在许多技术挑战。我们希望我们使用石墨烯设备和独特的制造工艺来帮助克服这些挑战的基础研究。”
石墨烯是一种由单层碳原子组成的材料，十多年前就被发现了。它的一系列令人惊叹的特性使研究人员着迷，这些特性在许多新应用中都得到了应用，包括创造更好的疾病检测传感器。
利用石墨烯改进生物传感器已经做出了重大的尝试，但石墨烯的单原子厚度却存在挑战。这意味着当光线通过时，它不能有效地与光相互作用。在诊断疾病时，光的吸收和向局部电场的转换对于检测少量分子是必不可少的。之前利用类似石墨烯纳米结构的研究只显示了低于10%的光吸收率。
在这项新研究中，明尼苏达大学的研究人员将石墨烯与纳米金金属带结合起来，使用胶带和明尼苏达大学开发的高科技纳米加工技术，即“模板剥离”，为石墨烯创建一个超平的基层表面。
然后，他们利用光的能量在石墨烯中产生电子的晃动运动，这种运动被称为等离子体激元，可以被认为是电子“海洋”中的波纹或波。同样，基于研究人员的巧妙设计，这些波可以在强度上形成巨大的局部电场“潮汐波”。
通过将光照射在单原子厚度的石墨烯层器件上，他们能够创造出一种等离子体波，其效率达到前所未有的水平，几乎完美地将94%的光吸收到电场的“潮汐波”中。当他们在石墨烯和金属带之间插入蛋白质分子时，他们能够利用足够的能量来观察单层蛋白质分子。
“我们的计算机模拟显示，这种新方法是可行的，但当我们在实际设备中实现94%的光吸收时，我们还是有点惊讶。”Oh说，“从计算机模拟中实现理想有很多挑战。所有东西都必须是如此高质量和原子级平坦。事实上，我们可以在理论和实验之间取得如此良好的一致，这是非常令人惊讶和激动的。”
文章来源：PHYS.ORG
[相关论文信息：
In-Ho Lee et al, Graphene acoustic plasmon resonator for ultrasensitive infrared spectroscopy, Nature Nanotechnology (2019).
DOI: 10.1038/s41565-019-0363-8]