Het detecteren van niet-uniformiteiten in 2D-materialen kan leiden tot nieuwe medische sensoren

Een nieuwe en betere benadering voor het detecteren van niet-uniformiteiten in de optische eigenschappen van tweedimensionale (2D) materialen zou mogelijk de deur kunnen openen naar nieuwe toepassingen voor deze materialen, zoals de toepassing van 2D-materialen voor medicijndetectie, volgens een team van onderzoekers.

“Het Two-Dimensional Crystal Consortium (2DCC) is een wereldleider op het gebied van 2D-materiaalonderzoek en mijn laboratorium werkt vaak samen met het 2DCC om materialen te karakteriseren voor nieuwe 2D-materialen”, zegt Slava V. Rotkin, Frontier Professor of Engineering Science and Mechanics met een aanstelling in het Materials Research Institute in Penn State. “Er zit een grote uitdaging in deze studies: vaak zijn optische eigenschappen van 2D-materialen niet uniform in de ruimte. Bovendien kunnen ze op een zeer kleine ruimtelijke schaal variëren, tot op een enkel atoom.”

Het identificeren en begrijpen van een dergelijke variabiliteit van eigenschappen kan extreem belangrijk zijn voor bepaalde toepassingen van 2D-materialen, dit zijn materialen met een dikte van één tot enkele atomen. Dergelijke atomair dunne materialen, die een uiteindelijke oppervlakte-tot-volumeverhouding hebben, kunnen op nanometerschaal ongelijkmatigheden aan het oppervlak vertonen. Dit omvat atomaire onzuiverheden, adsorbaten, defecten, rimpels, breuken enzovoort. Dergelijke kenmerken kunnen de optische eigenschappen moduleren en resulteren in variabiliteit van de eigenschappen van materialen.

“Ondanks dat dit van cruciaal belang is voor de effectiviteit bij bepaalde toepassingen van 2D-materialen, is er momenteel geen echt effectieve aanpak om deze variabiliteiten te detecteren,” zei Rotkin. “Omdat ze zo klein zijn, zijn ze niet detecteerbaar door optische hulpmiddelen en kunnen niet-optische hulpmiddelen optisch contrast niet oplossen.”

Rotkin en andere onderzoekers waren in staat om een ​​stap te zetten in de richting van een mogelijke oplossing, die werd geschetst in een recent onderzoek in ACS Nano. Deze oplossing zou mogelijk leiden tot betere toepassingen van 2D-materialen voor medische detectie.

De onderzoekers voerden experimenten uit met een heterostructuurmateriaal gemaakt van grafeen, de 2D-materiaalversie van grafiet en de anorganische verbinding molybdeendisulfide (MoS2). De MoS2 geeft een fotoluminescentiesignaal dat de hoeveelheid ladingsoverdracht tussen het grafeen en de MoS2-lagen detecteert, en kan daarom veranderingen detecteren als gevolg van de bio-analyt, in dit geval het kankerbehandelingsmiddel doxorubicine (DOX), dat de lading kan beïnvloeden. Grafeen zelf kan deze veranderingen echter detecteren via analyse door Raman-spectroscopie, die unieke trillingen in moleculen detecteert. De Raman-microscoop pikt verschuivingen op in de frequentie van fotonen in de laserlichtstraal die door deze trillingen worden veroorzaakt.

“De twee kanalen samen zorgen voor een betere kalibratie van twee signalen tegen de analytconcentratie en het type analyt,” zei Rotkin. “En bovendien versterkt grafeen het Raman-signaal van de analyt zelf in de mate dat men een signaal van slechts een paar moleculen kan ‘zien’.”

De onderzoekers gebruikten DOX als analyt omdat het een veelvoorkomend kankermedicijn is en er een acute behoefte is aan goede medische hulpmiddelen, waaronder sensoren. Twee soorten biosensoren zijn labelvrije biosensoren, die kunnen worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan medicijnen te detecteren, en labelgebaseerde biosensoren, die alleen een specifiek medicijn kunnen detecteren. De onderzoekers gebruikten labelvrije biosensing.

“De op labels gebaseerde biosensor is als een slot dat met slechts één sleutel kan worden geopend, maar de labelloze biosensor is als een slot met veel verschillende sleutels,” zei Rotkin. “We hebben labelvrije multimodale biosensing niet uitgevonden, deze benadering is in andere onderzoeken geweest. Maar een daadwerkelijke demonstratie met een specifiek materiaal is nieuw en op zich nog steeds belangrijk.”

Dit is belangrijk omdat labelvrije biosensing een grotere uitdaging is dan op label gebaseerde biosensing.

“We laten het werken door verschillende sensoren in één apparaat samen te voegen, de analogie van slot en sleutel te beschouwen als drie sloten aan één ketting”, zei Rotkin. “Specifiek passen we de DOX toe op ons 2D-materiaal, dat drie verschillende optische signalen produceert, die een multimodale detectie. Door drie signalen tegelijk te meten in plaats van slechts één zoals in een normale sensor, kunnen we DOX detecteren met behulp van labelvrije biosensing.”

Hoewel Rotkin benadrukt dat ze alleen een demonstratie van het principe in de studie gaven, zijn er mogelijke toepassingen van dit nieuwe mechanisme van labelvrije biosensing. Er zouden mogelijk sensoren kunnen zijn die labelvrije detectie van bio-, chemische en/of medische analyten mogelijk maken met minimale monstervoorbereiding, in een verkort tijdsbestek, met lage detectielimieten, en met behulp van monsters die andere stoffen bevatten dan de belangrijkste analyt.

Dit kan leiden tot stappen voor het oplossen van verschillende uitdagingen in de gezondheidszorg.

“Rekening houdend met het feit dat er een kloof is tussen fundamenteel onderzoek en de toepassingen ervan, zou ik zeggen dat we een steen hebben bijgedragen aan het bouwen van een groot aantal nanotechnologie / nanomaterialen voor biosensing en andere toepassingen”, zei Rotkin. “Etiketvrije detectie legt de basis voor onder meer slimme en geïntegreerde sensoren, nieuwe bio-bedreigingsveiligheidstechnieken en meer geïndividualiseerde medicijnen en behandelingen.”

Ondertussen zijn er volgens Rotkin ook meer directe voordelen aan dit onderzoek.

“Dit werk geeft ons een diepere kennis van de algemene optische eigenschappen van 2D-materialen,” zei Rotkin. “We hebben enkele van de mechanismen ontdekt voor één specifieke structuur, grafeen en MoS2. Maar onze nano-imaging-methode is van toepassing op vele andere, zo niet op alle. We hopen ook extra aandacht te trekken voor de fysica van 2D-materiaalheterostructuren zoals onze composiet materiaal dat de eigenschappen van grafeen en MoS2-enkellaagse materialen combineerde.”

De volgende stappen voor dit onderzoek omvatten het toepassen van de materiaalcomponent van hun werk op andere projecten bij het 2DCC, waaronder die met betrekking tot kwantumplasmonica en 2D niet-lineaire optica. Daarnaast gaat het onderzoeksteam op zoek naar partners voor het onderzoeken van praktische toepassingen.

“Omdat labelvrije detectie universeel is, zijn we niet beperkt door een type analyt, toepassing of probleem”, zei Rotkin. “Toch moet er iemand zijn met een echt probleem om de aanpak toe te passen. We zijn op zoek naar medewerkers uit de medische wereld voor een spannend nieuw gezamenlijk onderzoek.”