“Nhìn thấy” sự không đồng nhất trong vật liệu 2D có thể dẫn đến cảm biến y tế mới siêu nhỏ

Theo một nhóm các nhà nghiên cứu, một cách tiếp cận mới và tốt hơn trong việc phát hiện sự không đồng nhất trong các đặc tính quang học của vật liệu hai chiều có thể mở ra cánh cửa cho những ứng dụng mới đối với những vật liệu này, chẳng hạn như để phát hiện ma túy.

Slava V. Rotkin, Giáo sư Frontier về Khoa học Kỹ thuật và Cơ học cho biết: “ Hiệp hội Tinh thể Hai chiều (2DCC) là một công ty hàng đầu thế giới về nghiên cứu vật liệu 2D và phòng thí nghiệm của tôi thường làm việc với 2DCC để thực hiện việc xác định đặc tính vật liệu cho các vật liệu 2D mới. bổ nhiệm vào Viện Nghiên cứu Vật liệu tại Penn State. “Có một thách thức lớn trong các nghiên cứu này: Thông thường, các đặc tính quang học của vật liệu 2D không đồng nhất trong không gian. Hơn nữa, chúng có thể khác nhau ở quy mô không gian rất nhỏ, cho đến một nguyên tử ”.

Rotkin và các nhà nghiên cứu khác đã có thể thực hiện một bước hướng tới một giải pháp khả thi, được nêu trong ACS Nano . Trong khi Rotkin nhấn mạnh rằng họ chỉ đưa ra một minh chứng về nguyên lý trong nghiên cứu, giải pháp mà họ đề xuất được sử dụng cho các cấu trúc dị cấu trúc van der Waals có thể cho phép các cảm biến được chế tạo bằng vật liệu 2D, vật liệu dày từ một đến vài nguyên tử.

Cảm biến có thể được phát triển cho phép cảm nhận các chất phân tích sinh học, hóa học và / hoặc y tế quan tâm. Chất phân tích là các hóa chất cụ thể được nhắm mục tiêu để đo lường hoặc phân tích. Một cảm biến tốt phát hiện các chất phân tích này với việc chuẩn bị mẫu tối thiểu, trong một khung thời gian viết tắt, với giới hạn phát hiện thấp và sử dụng các mẫu có chứa các chất khác với chất phân tích chính.

Việc xác định và hiểu sự thay đổi của các đặc tính trong vật liệu có thể cực kỳ quan trọng đối với các ứng dụng của vật liệu 2D làm cảm biến. Vật liệu cảm biến thường chỉ có thể tương tác với chất phân tích ở bề mặt. Do đó, bề mặt của vật liệu là một vùng hoạt động, trong khi thể tích của vật liệu thì không. Tỷ lệ giữa bề mặt và thể tích càng lớn thì phần vật liệu không thể sử dụng được càng thấp. Các vật liệu mỏng nguyên tử như vậy có tỷ lệ bề mặt trên thể tích cao nhất để sử dụng cho cảm biến và có thể có sự không đồng nhất bề mặt ở quy mô nanomet. Điều này bao gồm các tạp chất nguyên tử, chất hấp phụ, khuyết tật, nếp nhăn, vết đứt, v.v. Các tính năng này có thể điều chỉnh các đặc tính quang học.

Rotkin nói: “Mặc dù điều này rất quan trọng đối với tính hiệu quả trong một số ứng dụng nhất định của vật liệu 2D, nhưng hiện tại không có cách tiếp cận thực sự hiệu quả nào để phát hiện những biến thể này. “Do quá nhỏ nên chúng không thể phát hiện được bằng các công cụ quang học và các công cụ không quang học không thể phân giải độ tương phản quang học.”

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm bằng cách sử dụng vật liệu có cấu trúc dị hình làm bằng graphene , phiên bản vật liệu 2D của graphite và hợp chất vô cơ molypden disulfide. Molypden disulfide đưa ra một tín hiệu phát quang để phát hiện lượng điện tích chuyển giữa graphene và các lớp molypden disulfide. Do đó, nó có thể phát hiện những thay đổi do chất phân tích sinh học, trong trường hợp này là thuốc điều trị ung thư doxorubicin, có thể ảnh hưởng đến điện tích.

Những thay đổi này cũng có thể được phát hiện trong graphene thông qua phân tích bằng quang phổ Raman, phương pháp này phát hiện ra những dao động độc đáo trong phân tử. Kính hiển vi Raman ghi nhận sự thay đổi tần số của các photon trong chùm ánh sáng laser do những dao động này gây ra.

“Hai kênh kết hợp với nhau cho phép hiệu chuẩn tốt hơn hai tín hiệu dựa trên nồng độ chất phân tích và loại chất phân tích,” Rotkin nói. “Và thêm vào đó, graphene tăng cường tín hiệu Raman của chính chất phân tích đến mức người ta có thể ‘nhìn thấy’ một tín hiệu chỉ từ một vài phân tử.”

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng doxorubicin làm chất phân tích vì nó là một loại thuốc ung thư phổ biến được sử dụng trong hóa trị liệu và có nhu cầu cấp tính đối với cảm biến sinh học để phát hiện nó để giúp điều chỉnh liều lượng và giảm tác dụng phụ. Có hai loại cảm biến sinh học hoạt động cho mục đích này, cảm biến sinh học không có nhãn, có thể được sử dụng để phát hiện nhiều loại thuốc và cảm biến sinh học có nhãn, chỉ có thể phát hiện một loại thuốc cụ thể. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng cảm biến sinh học không có nhãn trong nghiên cứu.

Rotkin nói: “Bộ cảm biến sinh học có nhãn giống như một ổ khóa chỉ có thể mở bằng một chìa khóa, nhưng bộ cảm biến sinh học không có nhãn giống như một ổ khóa có nhiều chìa khóa khác nhau. “Chúng tôi không phát minh ra cảm biến sinh học đa phương thức không có nhãn, cách tiếp cận này đã có trong các nghiên cứu khác. Nhưng một cuộc trình diễn thực tế với một chất liệu cụ thể là điều mới mẻ và bản thân nó vẫn quan trọng ”.

Điều này có thể dẫn đến các bước giải quyết các thách thức chăm sóc sức khỏe khác nhau.

“Hãy nhớ rằng có một khoảng cách giữa nghiên cứu cơ bản và các ứng dụng của nó, tôi có thể nói rằng chúng tôi đã đóng góp một viên gạch để xây dựng một bộ lớn công nghệ nano / vật liệu nano cho cảm biến sinh học và các ứng dụng khác,” Rotkin nói. “Tính năng phát hiện không có nhãn đặt nền tảng cho các cảm biến thông minh và tích hợp, các kỹ thuật an toàn về mối đe dọa sinh học mới cũng như các loại thuốc và phương pháp điều trị được cá nhân hóa hơn, cùng những lợi ích khác”.

Điều này cũng rất quan trọng vì việc tạo ra một cảm biến sinh học không có nhãn sẽ khó hơn so với việc phát triển một cảm biến sinh học có nhãn.

“Chúng tôi làm cho nó hoạt động bằng cách hợp nhất một số cảm biến trong một thiết bị, hãy nghĩ về sự tương tự khóa và chìa khóa như ba ổ khóa trên một chuỗi,” Rotkin nói “Cụ thể, chúng tôi áp dụng doxorubicin vào vật liệu 2D của chúng tôi, tạo ra ba tín hiệu quang học khác nhau, cấu thành một cảm biến đa phương thức. Bằng cách đo ba tín hiệu cùng một lúc thay vì chỉ một tín hiệu như trong cảm biến thông thường, điều này cho phép chúng tôi phát hiện doxorubicin bằng cách sử dụng cảm biến sinh học không có nhãn ”.

Cùng với khả năng cảm biến sinh học, nghiên cứu này cũng mang lại nhiều lợi ích tức thời hơn cho nghiên cứu này, theo Rotkin.

Rotkin cho biết: “Công việc này cung cấp cho chúng tôi kiến thức sâu hơn về các đặc tính quang học tổng thể của vật liệu 2D. “Chúng tôi đã khám phá ra một số cơ chế của một cấu trúc cụ thể, graphene và MoS2. Nhưng phương pháp tạo hình nano của chúng tôi có thể áp dụng cho nhiều người khác, nếu không muốn nói là cho tất cả. Ngoài ra, chúng tôi hy vọng sẽ thu hút thêm sự chú ý đến vật lý của các dị cấu trúc vật liệu 2D, chẳng hạn như vật liệu composite của chúng tôi, kết hợp các đặc tính của vật liệu một lớp graphene và MoS2. ”

Các bước tiếp theo cho nghiên cứu này sẽ bao gồm việc áp dụng thành phần vật liệu của công trình của họ cho các dự án khác tại 2DCC và tại Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Nghiên cứu Vật liệu của Quỹ Khoa học Quốc gia Penn State, Trung tâm Khoa học Quy mô nano. Điều này sẽ bao gồm các dự án liên quan đến plasmonics lượng tử và quang học phi tuyến tính 2D. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu sẽ tìm kiếm đối tác để nghiên cứu các ứng dụng thực tế.

Rotkin cho biết: “Vì tính năng phát hiện không nhãn là phổ biến, chúng tôi không bị giới hạn bởi loại chất phân tích, ứng dụng cũng như vấn đề,” Rotkin nói. “Tuy nhiên, cần phải có một người có vấn đề thực sự để áp dụng cách tiếp cận. Chúng tôi đang tìm kiếm các cộng tác viên từ thế giới y học cho một số nghiên cứu chung mới thú vị. ”

Tham khảo: “Cơ chế tiết lộ hình ảnh đa chiều điều khiển cảm biến sinh học không nhãn đa phương thức trong cấu trúc dị cấu trúc 2DM theo chiều dọc” của Tetyana Ignatova, Sajedeh Pourianejad, Xinyi Li, Kirby Schmidt, Frederick Aryeetey, Shyam Aravamudhan và Slava V. Rotkin, 21 tháng 1 năm 2022.
DOI: 10.1021 / acsnano.1c09335

Cùng với Rotkin, tác giả đồng trình bày của nghiên cứu, các tác giả khác bao gồm: từ Đại học Bắc Carolina Greensboro, tác giả đồng trình bày Tetyana Ignatova, trợ lý giáo sư khoa học nano; Sajedeh Pourianejad và Kirby Schmidt, nghiên cứu sinh tiến sĩ khoa học nano. Từ Penn State, một tác giả bổ sung của nghiên cứu là Xinyi Li, ứng viên tiến sĩ về khoa học kỹ thuật. Từ Đại học Bang North Carolina A & T, các tác giả khác của nghiên cứu bao gồm Frederick Aryeetey, ứng viên tiến sĩ tại thời điểm nghiên cứu, và Shyam Aravamudhan, giám đốc cơ sở cốt lõi tại Trường liên kết Khoa học nano và Kỹ thuật nano và phó giáo sư về kỹ thuật nano.

Quỹ Khoa học Quốc gia đã hỗ trợ nghiên cứu này.

Theo Scitechdaily