圖片說明：如果石墨烯的結構設計合理，它就能將光束以精確的光斑形狀聚焦在石墨烯表面，從而檢測粘附于石墨烯表面的納米分子的振動情況。圖片來源： EPFL / Miguel Spuch / Daniel Rodrigo

　　由于石墨烯具有獨特的性質，許多基礎研究領域都對它十分感興趣。石墨烯是單層碳原子結構，因而重量較輕且極其堅固。此外，石墨烯還是極好的導熱及導電材料。雖然石墨烯具有如此明顯及廣泛的潛在用途，但迄今為止，對其實際的應用還是十分稀少。如今，來自洛桑聯(lián)邦理工學院(EPFL)生物納米光子系統(tǒng)實驗室(BIOS)的科學家及西班牙光子科學研究所(ICFO)的研究人員向人們展示了一個與石墨烯有關的應用實例。因為石墨烯具有獨特的電光特性，研究者們開發(fā)了一款可重構的高靈敏分子傳感器。

　　通過聚光改善檢測靈敏度

　　研究人員利用石墨烯來改進這種分子檢測方法，即紅外吸收光譜法。在標準的檢測方法中，光束能夠刺激分子，這些分子根據(jù)自身特質而發(fā)出不同的振動。這就好比琴弦，不同長度的琴弦發(fā)出的聲音不同。通過觀察分子的振動，人們便可獲取分子的各種信息。

　　然而，對于納米結構的分子來說，紅外吸收光譜法的效果并不明顯。紅外光子的波長大約為6微米(6000納米-0.006毫米)，而待測的分子只有幾個納米(約0.000001毫米)。因此，想通過反射光來檢測如此小分子的振動是極具挑戰(zhàn)的任務。

　　這正是石墨烯發(fā)揮作用的地方。如果石墨烯的結構設計合理，它就能將光束精確地聚焦于表面，從而檢測粘附于表面的納米分子的振動情況。論文的作者之一Daniel Rodrigo表示：首先，通過電子束照射或者氧離子束刻蝕的方法將納米結構附著在石墨烯表面，當光束照射到納米結構上時，石墨烯納米結構中的電子便開始振動。這種現(xiàn)象被稱為局域表面等離子體共振，它能將光束匯聚成極細的、和待測分子大小相當?shù)墓獍?。從而便于對納米結構進行檢測。

　　圖片說明：通過對不同振動頻率的石墨烯電子進行檢測，便有可能了解石墨烯表面分子的所有振動特性。圖片來源：Science / EPFL / Miguel Spuch / Daniel Rodrigo

　　實時重構石墨烯，檢測分子的結構

　　石墨烯的用途還有很多。除了可用于辨別納米分子外觀外，該方法也能揭示分子中原子鍵合的本質。

　　分子振動時，并不是以單一的頻率振動，而是所有振動頻率的疊加。正如吉他一樣：每根琴弦的振動頻率有所不同，只有將各琴弦整合在一起才能構成一臺能彈奏出不同音符的音樂設備。這些細微差別可為了解原子鍵的本質及整個分子的狀況提供信息。論文的另一作者Odeta Limaj道：這些振動就好比指紋譜一樣，通過它們我們就能分辨出各種分子，如：蛋白質，甚至還可以知曉它們的健康狀況。

　　為了明確各琴弦所發(fā)出的聲音，必須有能力對整個頻率范圍進行辨別。而這正是石墨烯的長處。通過施加不同的電壓，研究人員可調節(jié)石墨烯的頻率，而這是當前各類傳感器無法企及的。Hatice Altug說：通過將蛋白質粘附在石墨烯表面，我們測試了這一方法可行性。同時，我們還獲得了蛋白質分子的全部信息。

　　邁向石墨烯分子傳感領域的一大步

　　對研究人員而言，該研究是石墨烯分子傳感領域的一大突破。主要基于以下幾個原因：首先，該方法能減少設備的使用，僅需一臺儀器就能完成這一系列復雜的分析。而通常情況下，進行一項復雜分析需要多臺不同的儀器。其次，整個過程對生物樣品進行的是無損檢測分析。此外，該研究顯示了石墨烯在分子檢測領域的潛在應用。Altug認為：石墨烯的應用十分廣泛，我們的研究主要集中在生物分子領域，但是該方法對聚合物及其他許多物質的檢測應該也同樣適用。(科學之家，譯審：CR Yang)關注科學之家微信公眾號：kexuehome 收取新鮮科學資訊