由于石墨烯具有獨(dú)特的性質(zhì)，許多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域都對(duì)它十分感興趣。石墨烯是單層碳原子結(jié)構(gòu)，因而重量較輕且極其堅(jiān)固。此外，石墨烯還是極好的導(dǎo)熱及導(dǎo)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(duì)其實(shí)際的應(yīng)用還是十分稀少。如今，來自洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)生物納米光子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(BIOS)的科學(xué)家及西班牙光子科學(xué)研究所(ICFO)的研究人員向人們展示了一個(gè)與石墨烯有關(guān)的應(yīng)用實(shí)例。因?yàn)槭┚哂歇?dú)特的電光特性，研究者們開發(fā)了一款可重構(gòu)的高靈敏分子傳感器。
通過聚光改善檢測(cè)靈敏度
研究人員利用石墨烯來改進(jìn)這種分子檢測(cè)方法，即紅外吸收光譜法。在標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)方法中，光束能夠刺激分子，這些分子根據(jù)自身特質(zhì)而發(fā)出不同的振動(dòng)。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(dòng)，人們便可獲取分子的各種信息。
然而，對(duì)于納米結(jié)構(gòu)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(cè)的分子只有幾個(gè)納米(約0.000001毫米)。因此，想通過反射光來檢測(cè)如此小分子的振動(dòng)是極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。
這正是石墨烯發(fā)揮作用的地方。如果石墨烯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，它就能將光束精確地聚焦于表面，從而檢測(cè)粘附于表面的納米分子的振動(dòng)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(jié)構(gòu)附著在石墨烯表面，當(dāng)光束照射到納米結(jié)構(gòu)上時(shí)，石墨烯納米結(jié)構(gòu)中的電子便開始振動(dòng)。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(xì)的、和待測(cè)分子大小相當(dāng)?shù)墓獍摺亩阌趯?duì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。
圖片說明：通過對(duì)不同振動(dòng)頻率的石墨烯電子進(jìn)行檢測(cè)，便有可能了解石墨烯表面分子的所有振動(dòng)特性。
實(shí)時(shí)重構(gòu)石墨烯，檢測(cè)分子的結(jié)構(gòu)
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(zhì)。
分子振動(dòng)時(shí)，并不是以單一的頻率振動(dòng)，而是所有振動(dòng)頻率的疊加。正如吉他一樣：每根琴弦的振動(dòng)頻率有所不同，只有將各琴弦整合在一起才能構(gòu)成一臺(tái)能彈奏出不同音符的音樂設(shè)備。這些細(xì)微差別可為了解原子鍵的本質(zhì)及整個(gè)分子的狀況提供信息。論文的另一作者Odeta Limaj道：這些振動(dòng)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(zhì)，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(duì)整個(gè)頻率范圍進(jìn)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(diào)節(jié)石墨烯的頻率，而這是當(dāng)前各類傳感器無法企及的。Hatice Altug說：通過將蛋白質(zhì)粘附在石墨烯表面，我們測(cè)試了這一方法可行性。同時(shí)，我們還獲得了蛋白質(zhì)分子的全部信息。
邁向石墨烯分子傳感領(lǐng)域的一大步
對(duì)研究人員而言，該研究是石墨烯分子傳感領(lǐng)域的一大突破。主要基于以下幾個(gè)原因：首先，該方法能減少設(shè)備的使用，僅需一臺(tái)儀器就能完成這一系列復(fù)雜的分析。而通常情況下，進(jìn)行一項(xiàng)復(fù)雜分析需要多臺(tái)不同的儀器。其次，整個(gè)過程對(duì)生物樣品進(jìn)行的是無損檢測(cè)分析。此外，該研究顯示了石墨烯在分子檢測(cè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。Altug認(rèn)為：石墨烯的應(yīng)用十分廣泛，我們的研究主要集中在生物分子領(lǐng)域，但是該方法對(duì)聚合物及其他許多物質(zhì)的檢測(cè)應(yīng)該也同樣適用。
