石墨烯加等离激元 实现红外光谱生物分子原位检测

　　近日，国家纳米科学中心纳米光子材料与器件实验室(以下简称光子室)研究团队通过自主开发出的石墨烯增强液相红外传感器实现了红外光谱技术在生理环境下原位识别纳米级蛋白质的振动指纹，同时采用电学调控方法有效消除了液相环境水信号干扰。该研究成果发表在《先进材料》上。
 

　　红外光谱技术作为一种“快速”“无损”的检测技术，在生物分子的化学键和官能团研究具有非常大的优势。然而将红外光谱技术应用于生物分子检测存在两个必须解决的问题：1.红外波长一般在微米尺度，而生物分子的大小往往在纳米尺度，两者的尺寸差距超过了3个数量级，导致利用红外光谱检测生物分子时光信号微弱；2.水是一种极性分子，具有强烈和广泛的红外吸收，会掩盖生物分子关键频段的振动指纹。
 

　　为解决这两大问题，研究团队利用等离激元现象和近年来获得广泛应用的新材料石墨烯研发出了一种可以增强红外光谱的传感器。
 

　　等离激元是导电材料上一种独特的物理现象，入射光驱动材料中的自由电荷产生光频的集体振荡，形成的电磁模式可以“聚焦”和“放大”入射光的信号。而石墨烯具有单原子层的厚度、高载流子迁移率、狄拉克电子特性以及电学可调等优势，作为等离激元现象的载体，在红外波段可以有效放大待测分子的红外信号。研究团队通过对石墨烯纳米结构设计和等离激元调控规律研究，排除了周围介电环境对石墨烯等离激元易的强烈干扰，解决了红外光谱技术检测纳米级别生物分子信号微弱的问题。
 

　　而针对水溶液的干扰，研究团队的解决办法是通过双电层对石墨烯进行电学调控可将等离激元热点外的背景信号原位扣除，同时利用石墨烯的疏水表面可有效吸附溶液中的蛋白质分子到其热点区域，并把水分子排除在热点区域以外的特性。在这一思路指导下，研究团队设计了能够保证红外光在液体环境下的稳定光程和高透过率的超薄透射红外液体流通池，并构筑了在生理环境中进行有效电学调控的石墨烯纳米结构。
 

　　在实验中，研究团队研发的石墨烯等离激元增强液相红外传感器能够在生理环境下有效效激发可调谐的石墨烯等离激元响应，减少了水溶液的信号干扰，将光谱检测的灵敏度提高到了2纳米水平。这种传感器是一种可拆卸附件，可以兼容商用显微红外光谱仪的测量模式。
 

　　编辑点评：石墨烯等离激元增强液相红外传感器的成功研制将红外光谱技术的应用拓展到纳米级别的生物分子检测，是红外光谱技术的一大进步。同时也为研究生理环境下纳米级的生物界面和过程提供了新平台，这对于生物学与医学研究都有重要意义。
 

　　(资料来源：中国科学报)