Un approccio nuovo e migliore per rilevare le non uniformità nelle proprietà ottiche dei materiali bidimensionali (2D) potrebbe potenzialmente aprire la porta a nuovi usi per questi materiali, come l'applicazione di materiali 2D per il rilevamento di farmaci, secondo un team di ricercatori.

"Il Two-Dimensional Crystal Consortium (2DCC) è un leader mondiale nella ricerca sui materiali 2D e il mio laboratorio lavora spesso con il 2DCC eseguendo la caratterizzazione dei materiali per nuovi materiali 2D", ha affermato Slava V. Rotkin, professore di ingegneria e meccanica di frontiera con un nomina al Materials Research Institute della Penn State. "C'è una grande sfida in questi studi:spesso, le proprietà ottiche dei materiali 2D non sono uniformi nello spazio. Inoltre, possono variare su una scala spaziale molto piccola, fino a un singolo atomo."

L'identificazione e la comprensione di una tale variabilità di proprietà potrebbe essere estremamente importante per alcune applicazioni di materiali 2D, che sono materiali spessi da uno a pochi atomi. Tali materiali atomicamente sottili, aventi un rapporto superficie-volume ultimo, possono possedere non uniformità di superficie su scala nanometrica. Ciò include impurità atomiche, adsorbati, difetti, rughe, rotture e così via. Tali caratteristiche possono modulare le proprietà ottiche e provocare variabilità delle proprietà dei materiali.

"Nonostante questo sia fondamentale per l'efficacia in determinate applicazioni di materiali 2D, attualmente non esiste un approccio veramente efficace per rilevare queste variabilità", ha affermato Rotkin. "Dato che sono così piccoli, non sono rilevabili da strumenti ottici e strumenti non ottici non possono risolvere il contrasto ottico."

Rotkin e altri ricercatori sono stati in grado di fare un passo verso una possibile soluzione, che è stata delineata in un recente studio su ACS Nano . Questa soluzione porterebbe potenzialmente a migliori applicazioni dei materiali 2D per il rilevamento medico.

I ricercatori hanno condotto esperimenti utilizzando un materiale eterostruttura fatto di grafene, la versione materiale 2D della grafite e il composto inorganico disolfuro di molibdeno (MoS2). Il MoS2 fornisce un segnale di fotoluminescenza che rileva la quantità di trasferimento di carica tra il grafene e gli strati di MoS2, e quindi può rilevare i cambiamenti dovuti al bioanalita, in questo caso il farmaco per il trattamento del cancro doxorubicina (DOX), che può influenzare la carica. Tuttavia, il grafene stesso può rilevare questi cambiamenti tramite l'analisi mediante spettroscopia Raman, che rileva vibrazioni uniche nelle molecole. Il microscopio Raman rileva gli spostamenti nella frequenza dei fotoni nel raggio di luce laser causati da queste vibrazioni.

"I due canali insieme consentono una migliore calibrazione di due segnali rispetto alla concentrazione dell'analita e al tipo di analita", ha affermato Rotkin. "Inoltre, il grafene migliora il segnale Raman dell'analita stesso nella misura in cui si può 'vedere' un segnale da poche molecole".

I ricercatori hanno utilizzato il DOX come analita perché è un comune farmaco antitumorale e vi è un'acuta necessità di buoni dispositivi medici, compresi i sensori. Due tipi di biosensori sono i biosensori senza etichetta, che possono essere utilizzati per rilevare una varietà di farmaci, e i biosensori basati su etichetta, che possono rilevare solo un farmaco specifico. I ricercatori hanno utilizzato il biosensing senza etichetta.

"Il biosensore basato su etichetta è come un lucchetto che può essere aperto con una sola chiave, ma il biosensore senza etichetta è come un lucchetto con molte chiavi diverse", ha affermato Rotkin. "Non abbiamo inventato il biorilevamento multimodale senza etichetta, questo approccio è stato in altri studi. Ma una dimostrazione effettiva con un materiale specifico è nuova e ancora importante di per sé".

Ciò è significativo perché il biorilevamento senza etichetta è più impegnativo del biorilevamento basato sull'etichetta.

"Lo facciamo funzionare unendo diversi sensori in un unico dispositivo, pensiamo all'analogia tra lucchetto e chiave come tre lucchetti su una catena", ha detto Rotkin. "In particolare, applichiamo il DOX al nostro materiale 2D, che produce tre diversi segnali ottici, costituendo un rilevamento multimodale. Misurando tre segnali contemporaneamente invece di uno solo come in un normale sensore, questo ci consente di rilevare DOX utilizzando il biorilevamento senza etichetta."

Mentre Rotkin sottolinea che nello studio hanno fornito solo una dimostrazione del principio, ci sono potenziali applicazioni di questo nuovo meccanismo di biorilevamento senza etichetta. Potrebbero esistere sensori che consentano il rilevamento senza etichetta di analiti bio, chimici e/o medici di interesse con una preparazione minima del campione, in un lasso di tempo abbreviato, con limiti di rilevamento bassi e utilizzando campioni contenenti sostanze diverse dall'analita chiave.

Ciò potrebbe portare a passaggi per risolvere varie sfide sanitarie.

"Tenendo presente che c'è un divario tra la ricerca fondamentale e le sue applicazioni, direi che abbiamo contribuito con un mattone alla costruzione di un ampio insieme di nanotecnologie/nanomateriali per il biorilevamento e altre applicazioni", ha affermato Rotkin. "Il rilevamento senza etichetta pone le basi per sensori intelligenti e integrati, nuove tecniche di sicurezza contro le minacce biologiche e medicine e trattamenti più personalizzati, tra gli altri vantaggi."

Nel frattempo, ci sono anche vantaggi più immediati in questa ricerca, secondo Rotkin.

"Questo lavoro ci offre una conoscenza più approfondita delle proprietà ottiche complessive dei materiali 2D", ha affermato Rotkin. "Abbiamo scoperto alcuni dei meccanismi per una struttura specifica, grafene e MoS2. Ma il nostro metodo di nanoimaging è applicabile a molti altri, se non a tutti. Inoltre, speriamo di attirare ulteriore attenzione sulla fisica delle eterostrutture di materiali 2D come il nostro composito materiale che combinava le proprietà del grafene e dei materiali monostrato MoS2."

I prossimi passi per questa ricerca includeranno l'applicazione della componente materiale del loro lavoro ad altri progetti al 2DCC, compresi quelli che coinvolgono la plasmonica quantistica e l'ottica 2D non lineare. Inoltre, il team di ricerca cercherà partner per la ricerca di applicazioni pratiche.

"Poiché il rilevamento senza etichetta è universale, non siamo limitati da un tipo di analita, applicazione o problema", ha affermato Rotkin. "Tuttavia, ci deve essere qualcuno con un problema reale per applicare l'approccio. Stiamo cercando collaboratori dal mondo della medicina per alcune nuove entusiasmanti ricerche congiunte". + Esplora ulteriormente

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