Фокусировка света для улучшения восприятия
Исследователи использовали графен для улучшения известного метода обнаружения молекул: инфракрасной абсорбционной спектроскопии. В стандартном методе свет используется для возбуждения молекул, которые колеблются по-разному в зависимости от их природы.
Его можно сравнить с гитарной струной, которая издает разные звуки в зависимости от ее длины. Благодаря этой вибрации молекулы раскрывают свое присутствие и даже свою идентичность. Эту «подпись» можно «прочитать» в отраженном свете.
Однако этот метод неэффективен для обнаружения молекул нанометрового размера. Длина волны инфракрасного фотона, направленного на молекулу, составляет около 6 микрон (6000 нанометров – 0.006 миллиметров), тогда как цель измеряет всего несколько нанометров (около 0.000001 мм). Очень сложно обнаружить вибрацию такой маленькой молекулы в отраженном свете.
Вот где появляется графен.
Если задана правильная геометрия, графен способен фокусировать свет в точном месте на своей поверхности и «слышать» колебания нанометровой молекулы, которая прикреплена к нему. «Сначала мы наносим наноструктуры на поверхность графена, бомбардируя ее электронными лучами и травляя ионами кислорода», – сказал Дэниел Родриго, соавтор публикации. "Когда приходит свет, электроны в графеновых наноструктурах начинают колебаться. Это явление, известное как «локализованный поверхностный плазмонный резонанс», служит для концентрации света в крошечных пятнах, которые сравнимы с размерами молекул-мишеней. Затем можно обнаруживать нанометрические структуры."
Перенастраиваем графен в реальном времени, чтобы увидеть структуру молекулы
Это еще не все. Помимо определения наличия нанометровых молекул, этот процесс может также выявить природу связей, соединяющих атомы, из которых состоит молекула.
Когда молекула вибрирует, она издает не только один тип "звука"."Он производит целый ряд вибраций, которые генерируются связями, соединяющими разные атомы. Вернемся к примеру с гитарой: каждая струна колеблется по-разному, и вместе они образуют один музыкальный инструмент. Эти нюансы предоставляют информацию о природе каждой связи и о состоянии всей молекулы. «Эти вибрации действуют как отпечатки пальцев, которые позволяют нам идентифицировать молекулу, например белки, и даже могут определить их состояние здоровья», – сказала Одета Лимай, другой соавтор публикации.
Чтобы уловить звук, издаваемый каждой из струн, должна быть возможность идентифицировать целый диапазон частот. И это то, на что способен графен.
Исследователи «настроили» графен на разные частоты, приложив напряжение, что невозможно с датчиками тока. Заставляя электроны графена колебаться по-разному, можно «читать» все колебания молекулы на ее поверхности. «Мы протестировали этот метод на белках, которые мы прикрепили к графену. Это дало нам полное представление о молекуле ", – сказал Хатидже Алтуг.
Большой шаг к использованию графена для определения молекул
Новый процесс на основе графена представляет собой большой шаг вперед для исследователей по нескольким причинам.
Во-первых, этот простой метод показывает, что можно провести сложный анализ, используя только одно устройство, в то время как обычно требуется много разных. И все это без нагрузки или изменения биологического образца.
Во-вторых, он показывает невероятный потенциал графена в области обнаружения. «Есть много возможных применений», – сказал Алтуг. «Мы сосредоточились на биомолекулах, но этот метод должен также работать с полимерами и многими другими веществами», – добавила она.