Uma nova e melhor abordagem na detecção de não uniformidades nas propriedades ópticas de materiais bidimensionais (2D) poderia potencialmente abrir as portas para novos usos para esses materiais, como a aplicação de materiais 2D para detecção de drogas, de acordo com uma equipe de pesquisadores. pesquisadores.
"O Two-Dimensional Crystal Consortium (2DCC) é líder mundial em pesquisa de materiais 2D e meu laboratório geralmente trabalha com o 2DCC fazendo caracterização de materiais para novos materiais 2D", disse Slava V. Rotkin, Professor Frontier de Engenharia e Mecânica com um nomeação no Instituto de Pesquisa de Materiais da Penn State. "Há um grande desafio nesses estudos:Frequentemente, as propriedades ópticas de materiais 2D não são uniformes no espaço. Além disso, elas podem variar em uma escala espacial muito pequena, até um único átomo."

Identificar e entender essa variabilidade de propriedades pode ser extremamente importante para certas aplicações de materiais 2D, que são materiais com um a alguns átomos de espessura. Tais materiais atomicamente finos, tendo uma relação superfície-volume final, podem possuir não uniformidades de superfície na escala nanométrica. Isso inclui impurezas atômicas, adsorbatos, defeitos, rugas, rupturas e assim por diante. Tais características podem modular as propriedades ópticas e resultar na variabilidade das propriedades dos materiais.

"Apesar de ser crítico para a eficácia em certas aplicações de materiais 2D, atualmente não existe uma abordagem verdadeiramente eficaz para detectar essas variabilidades", disse Rotkin. "Devido a serem tão pequenos, eles são indetectáveis ​​por ferramentas ópticas e ferramentas não ópticas não podem resolver o contraste óptico."

Rotkin e outros pesquisadores foram capazes de dar um passo em direção a uma possível solução, que foi descrita em um estudo recente no ACS Nano . Essa solução potencialmente levaria a melhores aplicações de materiais 2D para detecção médica.

Os pesquisadores realizaram experimentos usando um material de heteroestrutura feito de grafeno, a versão material 2D de grafite e o composto inorgânico dissulfeto de molibdênio (MoS2). O MoS2 fornece um sinal de fotoluminescência que detecta a quantidade de transferência de carga entre as camadas de grafeno e MoS2 e, portanto, pode detectar alterações devido ao bioanalito, neste caso, o medicamento para tratamento do câncer doxorrubicina (DOX), que pode afetar a carga. No entanto, o próprio grafeno pode detectar essas mudanças por meio de análise por espectroscopia Raman, que detecta vibrações únicas nas moléculas. O microscópio Raman detecta mudanças na frequência dos fótons no feixe de luz do laser causadas por essas vibrações.

"Os dois canais juntos permitem uma melhor calibração de dois sinais contra a concentração do analito e o tipo de analito", disse Rotkin. "Além disso, o grafeno aumenta o sinal Raman do próprio analito na medida em que se pode 'ver' um sinal de apenas algumas moléculas."

Os pesquisadores usaram o DOX como analito porque é um medicamento comum contra o câncer e há uma necessidade aguda de bons dispositivos médicos para ele, incluindo sensores. Dois tipos de biossensores são biossensores sem rótulo, que podem ser usados ​​para detectar uma variedade de medicamentos, e biossensores baseados em rótulo, que podem detectar apenas um medicamento específico. Os pesquisadores usaram biossensor sem rótulo.

"O biossensor baseado em etiqueta é como uma fechadura que pode ser aberta com apenas uma chave, mas o biossensor sem etiqueta é como uma fechadura com muitas chaves diferentes", disse Rotkin. "Nós não inventamos o biossensor multimodal livre de rótulos, essa abordagem tem sido em outros estudos. Mas uma demonstração real com um material específico é nova e ainda importante por si só."

Isso é significativo porque o biossensor sem rótulo é mais desafiador do que o biossensor baseado em rótulo.

"Fazemos funcionar mesclando vários sensores em um dispositivo, pensamos na analogia da fechadura e da chave como três fechaduras em uma cadeia", disse Rotkin "Especificamente, aplicamos o DOX ao nosso material 2D, que produz três sinais ópticos diferentes, constituindo um sensor multimodal. Ao medir três sinais ao mesmo tempo em vez de apenas um como em um sensor normal, isso nos permite detectar DOX usando biossensor sem rótulo."

Embora Rotkin enfatize que eles apenas deram uma demonstração do princípio no estudo, existem aplicações potenciais desse novo mecanismo de biossensor sem rótulo. Pode haver sensores que permitem a detecção sem rótulo de analitos biológicos, químicos e/ou médicos de interesse com preparação mínima de amostra, em um período de tempo abreviado, com baixos limites de detecção e usando amostras contendo outras substâncias além do analito principal.

Isso pode levar a etapas para resolver vários desafios de saúde.

"Tendo em mente que há uma lacuna entre a pesquisa fundamental e suas aplicações, eu diria que contribuímos com um tijolo para construir um grande conjunto de nanotecnologia/nanomateriais para biossensores e outras aplicações", disse Rotkin. "A detecção sem rótulos estabelece as bases para sensores inteligentes e integrados, novas técnicas de segurança contra ameaças biológicas e medicamentos e tratamentos mais individualizados, entre outros benefícios".

Enquanto isso, também há benefícios mais imediatos para esta pesquisa, de acordo com Rotkin.

"Este trabalho nos dá um conhecimento mais profundo das propriedades ópticas gerais de materiais 2D", disse Rotkin. "Descobrimos alguns dos mecanismos para uma estrutura específica, grafeno e MoS2. Mas nosso método de nanoimagem é aplicável a muitos outros, se não a todos. Além disso, esperamos atrair atenção adicional para a física de heteroestruturas de materiais 2D, como nosso composto material que combinou as propriedades de grafeno e materiais de camada única MoS2."

Os próximos passos para esta pesquisa incluirão a aplicação do componente de materiais de seu trabalho a outros projetos no 2DCC, incluindo aqueles envolvendo plasmônica quântica e óptica não linear 2D. Além disso, a equipe de pesquisa estará procurando parceiros para pesquisar aplicações práticas.

"Como a detecção sem rótulo é universal, não estamos limitados a um tipo de analito, aplicação ou problema", disse Rotkin. "Ainda assim, é preciso haver alguém com um problema real para aplicar a abordagem. Estamos procurando colaboradores do mundo da medicina para algumas novas pesquisas conjuntas empolgantes". + Explorar mais

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