據一個研究小組稱，在檢測二維材料光學特性的非均勻性方面，一種新的和更好的方法有可能為這些材料的新用途打開大門，比如說用於藥物檢測。“二維晶體聯盟(2DCC)是二維材料研究的世界領導者，我的實驗室經常跟2DCC合作，來為新型二維材料做材料表徵，”來自賓夕法尼亞州立大學工程科學和力學前沿教授Slava V. Rotkin說道。
“在這些研究中，存在着一個很大的挑戰。通常情況下，二維材料的光學特性在空間上是不均勻的。此外，它們可能在非常小的空間尺度上變化，小到一個原子。”
雖然Rotkin強調他們在研究中只給出了一個原理演示，但他們提出的解決方案卻被用於范德瓦爾斯異質結構，它可以實現用二維材料製作的傳感器，而這些材料的厚度只有一到幾個的原子。
據了解，一個好的傳感器可以用最少的樣品準備、在很短的時間內檢測出這些分析物、檢測限很低並使用含有關鍵分析物以外的物質的樣品。
識別和理解材料屬性的變異性對於二維材料作為傳感器的應用可能極為重要。傳感器材料通常只能在表面跟分析物發生作用。因此，材料的表面是一個活性區域，而材料的體積則不是。表面跟體積的比例越大，不能使用的材料的比例就越低。這種原子級的薄材料對於傳感器的使用具有終極的表面與體積之比，另外還可能擁有納米級的表面不均勻性。這包括原子雜質、吸附物、缺陷、皺紋、斷裂等。這些特徵可以調節光學特性。
Rotkin表示：“儘管這對二維材料的某些應用的有效性至關重要，但目前還沒有真正有效的方法來檢測這些變異性。由於它們是如此得微小，以至於它們無法被光學工具檢測到，而非光學工具也無法解決光學對比。”
研究人員使用一種由石墨烯（石墨的二維材料版本）和無機化合物二硫化鉬組成的異質結構材料進行了實驗。二硫化鉬則給出了一個光致發光信號，這可以檢測石墨烯和二硫化鉬層之間電荷轉移的數量。因此，它可以檢測到由於生物分析物的變化，在這種情況下是癌症治療藥物多柔比星，它可以影響電荷。
另外，這些變化還可以通過拉曼光譜的分析在石墨烯中檢測出來，拉曼光譜可以發現分子的獨特振動。拉曼顯微鏡可以捕捉到由這些振動引起的激光光束中的光子頻率的變化。
Rotkin說道：“這兩個通道在一起可以更好地校準這兩個信號與分析物濃度和分析物的類型。另外，石墨烯增強了分析物本身的拉曼信號，以至於人們可以‘看到’僅來自幾個分子的信號。”
研究人員使用多柔比星作為他們的分析物，因為它是一種用於化療的常見癌症藥物，而且迫切需要生物傳感器來檢測它以幫助調節劑量和減少副作用。有兩種類型的生物傳感器可用於這一目的，一種是無標籤生物傳感器，可用於檢測各種藥物；另一種是基於標籤的生物傳感器，只能檢測一種特定的藥物。研究人員在研究中使用了無標籤生物傳感。
“基於標籤的生物傳感器就像一把只能用一把鑰匙打開的鎖，但無標籤的生物傳感器就像一個擁有許多把不同鑰匙的鎖，”Rotkin說道，“我們沒有發明無標籤多模態生物傳感，這種方法已經在其他研究中出現。但用一種特定的材料進行實際演示是新的，而且本身仍非常重要。”
這可能會帶來解決各種保健挑戰的步驟。
“考慮到基礎研究和其應用之間存在差距，我想說我們為建立一大套用於生物傳感和其他應用的納米技術/納米材料貢獻了一塊磚，。無標籤檢測為智能和集成傳感器、新的生物威脅安全技術和更多的個性化醫藥和治療以及其他好處奠定了基礎，”Rotkin說道。
由於創建一個無標籤的生物傳感器比開發一個基於標籤的生物傳感器更具挑戰性，所以這點也非常重要。
Rotkin指出，除了生物傳感的可能性之外，這項研究還有更直接的好處。“這項工作讓我們對二維材料的整體光學特性有了更深入的了解。我們發現了一個特定結構的一些機制–石墨烯和MoS2。但我們的納米成像方法適用於許多其他材料，如果不是全部的話。另外，我們希望吸引更多的人關注二維材料異質結構的物理學，如我們的複合材料，它結合了石墨烯和MoS2單層材料的特性。”
接下來 ，研究團隊將把他們工作的材料部分應用於2DCC和賓夕法尼亞州國家科學基金會材料研究科學和工程中心–納米科學中心的其他項目，這將包括涉及量子質子學和二維非線性光學的項目。此外，研究小組還將尋找合作夥伴來研究實際應用。