eng
Просмотры: 646
24.01.2022
Технологии биосенсинга являются ключевыми для медицинской диагностики, биологии, фармацевтике и для обеспечения безопасности пищевых продуктов и воды.
Разработка мультимодальных биосенсоров позволила создать совершенно новые функциональные возможности биосенсинга, например, дифференцировать и идентифицировать несколько отдельных биомолекул из смеси, содержащей множество неизвестных молекул, в отличие от обнаружения только присутствия определенного типа известных молекул.
В разработке инструментов биосенсинга без меток большую пользу принесли двумерные материалы и их обширная библиотека гетероструктур Ван-дер-Ваальса. Высокое отношение площади поверхности к объему и атомарная тонкость этих материалов дают сильный отклик поверхностной адсорбции. В сочетании с широким спектром оптических явлений, перестраиваемой полосовой структурой и благоприятными электронными свойствами, это делает двумерные системы перспективными для будущих оптических, электрических и электрохимических платформ биосенсинга.
Однако, атомарно тонкие двумерные материалы часто страдают от ряда неоднородностей поверхности нанометрового масштаба - атомных примесей, адсорбатов, дефектов, дислокаций, разрывов, которые могут изменить их оптические свойства. Важность и роль этих неоднородных поверхностей в создании изменчивости двумерного материала еще не до конца понята. Решая эту проблему, исследователи из университетов штатов Пенсильвания и Северная Каролина разработали новый подход к многомерной характеризации, который сочетает несколько методов характеризации, позволяя получить свойства материалов гетероструктуры с близким к нанометрововму диапазону разрешением.
"Мы разработали метод объединения нескольких инструментов микроскопии в многомерный инструмент визуализации, который позволяет исследовать оптические свойства материалов с разрешением гораздо выше, чем при обычной оптической микроскопии", - рассказал Nanowerk Слава В. Роткин, профессор инженерных наук и механики в Penn State. "В основе этого метода лежат оптические карты с нанометровым разрешением, которые мы получили с помощью рассеивающей сканирующей ближнепольной оптической микроскопии (sSNOM)". Исследователи ожидают, что этот новый метод многомерной визуализации позволит лучше понять физику двумерных материалов и сделать возможным их применение в оптоэлектронике, биосенсинге и информационных технологиях. Развивая эту идею, они применили ее к конкретному примеру двумерных материалов – гетероструктуре из графена, синтезированного в 2DCC-MIP Пенсильванского университета, и MoS2.
С помощью sSNOM они смогли увидеть ряд новых эффектов в материале. Графен, помещенный поверх треугольников MoS2, создает покрытие и сохраняет последний от окисления и, таким образом, от изменения его полезных оптических свойств. Для этого ученые провели двухлетнее исследование старения и показали эволюцию с идеальной инкапсуляцией и с поцарапанным графеном.
Карта гетероструктуры с высоким разрешением sSNOM: хорошо видны три островка MoS2, покрытые монослоем графена (в вертикальном направлении видны графеновые морщины). На снимке хорошо видны небольшие яркие треугольники MoO (справа вверху) и наноразмерные области MoOS внутри островков MoS2 (яркие пятна над большими треугольниками).
Исследователи смогли составить карту деформации и легирования в гетероструктуре с субволновым разрешением. Было определено, сколько заряда переносится между атомными слоями графена и MoS2. Последний влияет на экситоны в MoS2, что изменяет фотолюминесценцию устройства. Заряд также изменяет колебательные моды графена, тем самым изменяя рамановский отклик.
Наблюдалось изменение оптического отклика образцов – небольшие кристаллиты оксида молибдена (MoO), которые образовались во время синтеза вместе с MoS2, дают собственный отклик. Кроме того, наблюдалось частичное окисление MoS2 в точках оксисульфата Mo (MoOS), появляющееся в виде ярких пятен шириной в несколько нанометров на оптическом изображении sSNOM внутри треугольных островков.
"Комбинируя различные инструменты многомерной визуализации, мы смогли наблюдать, как все различные морфологические и элементные неоднородности гетероструктуры приводят к образованию областей механической деформации и областей зарядового легирования", - отмечает Роткин. "Мы отобразили, как последние создают неоднородность (изменчивость) оптического отклика, который проанализировали и оценили с точки зрения конечной производительности конкретного материала для биосенсинга".
В целом, этот новый метод многомерной визуализации позволяет лучше понять физику, лежащую в основе оптического отклика гетероструктур 2D материалов. Обладая такими подробными знаниями о 2D наноматериалах, исследователи теперь могут проводить синтез материалов с помощью инструмента проверки качества и давать четкие рекомендации.
Теперь можно точно настроить дизайн биосенсоров, понимая детальную физику оптического отклика используемых структур 2D-материалов. Ранее оптический отклик, ожидаемый от нового материала, был известен только в среднем и на большой площади. Теперь можно не только измерить диапазон оптического отклика, ожидаемого от нового материала, но и определить, как этот диапазон может быть настроен путем управления определенным типом неоднородности - включая легирование, деформацию, перенос заряда, примеси, дислокации и разрывы.
Комментарии читателей
