通過傅里葉變換紅外光譜 (FTIR) 識(shí)別水溶液中的納米級(jí)生物分子為探索生物活性分子的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)和傳輸提供了一種原位和無創(chuàng)的方法。然而，這仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗膹?qiáng)烈和廣泛的紅外吸收壓倒了生物分子各自的振動(dòng)指紋。在這項(xiàng)工作中，利用具有石墨烯等離子體的可調(diào)紅外透明微流體系統(tǒng)來識(shí)別生理?xiàng)l件下約 2 nm 厚的蛋白質(zhì)。獲得的原位可調(diào)性使得通過背景減除消除石墨烯等離子體熱點(diǎn)之外的水的紅外吸收成為可能。最重要的是，石墨烯等離子體的超高限制（限制在 ≈15 nm）允許實(shí)現(xiàn)納米級(jí)靈敏度。然后，氘對(duì)單層蛋白的影響是在水溶液中表征的。可調(diào)諧石墨烯等離子體增強(qiáng) FTIR 技術(shù)為研究納米級(jí)水溶液中的生物過程提供了一個(gè)新平臺(tái)。
Figure 1. 可調(diào)諧石墨烯等離子體增強(qiáng) FTIR 平臺(tái)。a) GP-aIR 生物傳感器示意圖。石墨烯等離子體裝置集成在紅外透明微流體系統(tǒng)中，而選擇 200 µm 厚的氟化鈣 (CaF
2 ) 晶體作為頂部窗口。石墨烯等離子激元使用入射紅外光激發(fā)，并通過門控原位調(diào)諧。等離子體共振與熱點(diǎn)中的蛋白質(zhì)耦合。b)具有/不具有石墨烯等離子體增強(qiáng)的微流體系統(tǒng)中蛋白質(zhì)溶液(5 mg mL
-1 )的FTIR光譜。c)石墨烯-等離子體增強(qiáng) FTIR 在水溶液中吸附蛋白質(zhì)之前（灰色曲線）和之后（紅色曲線）的放大中紅外區(qū)域 (1600–1700 cm
-1 )。
EF = 0.3 eV，石墨烯納米帶寬度≈60 nm，周期≈120 nm。插圖：石墨烯納米帶在 10.526 µm（即 950 cm
- 1）的 IR 波長下的近場(chǎng)光學(xué)圖像，比例尺：200 nm。
Figure 2. 用電可調(diào)石墨烯等離子體選擇性探測(cè)蛋白質(zhì)。a)石墨烯等離子體器件的轉(zhuǎn)移特性曲線和相應(yīng)的
E F。b) 實(shí)線是石墨烯等離激元響應(yīng)在不同柵極電壓下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；虛線是相同石墨烯納米帶在不同
E F下的模擬結(jié)果。1 mg mL
-1蛋白溶液流動(dòng)2 h后采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果，石墨烯納米帶寬度≈50 nm，周期≈100 nm。
Figure 3. 在生理?xiàng)l件下的吸附過程中鑒定蛋白質(zhì)。a) 不同吸附時(shí)間（0、7、8、16、20 分鐘）下等離子增強(qiáng)的蛋白質(zhì) IR 響應(yīng)（ΔExtinction）。石墨烯納米帶寬度≈70 nm，周期≈140 nm，蛋白質(zhì)溶液濃度為5 mg mL
-1。b) 石墨烯納米帶在蛋白質(zhì)吸附 1 小時(shí)前后的形態(tài)和各自的 AFM 高度數(shù)據(jù)。c）不同吸附厚度（0、2、4、6、8 nm）的石墨烯-等離子體增強(qiáng)蛋白質(zhì)紅外響應(yīng)的模擬ΔExtinction。石墨烯器件的參數(shù)與（a）中的相同，
E F設(shè)置為0.25 eV。d)
EF GP-aIR 生物傳感器在蛋白質(zhì)吸附過程中的變化，從轉(zhuǎn)移特征曲線中提取，如插圖所示。
Figure 4. 由 GP-aIR 生物傳感器監(jiān)控的 H/D 交換過程。a) 原位和實(shí)時(shí)識(shí)別H
2O 和 D
2O 中的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)交替注入數(shù)次。蛋白質(zhì)濃度為1 mg mL
-1。b) D
2O/H
2O 誘導(dǎo)的分子結(jié)構(gòu)變化和氫鍵相互作用的圖示。c)不同D
2O濃度（17%、34%、51%、68%、85 %)。
相關(guān)研究工作由國家納米科學(xué)中心Xiaoxia Yang和Qing Dai團(tuán)隊(duì)于2022年在線發(fā)表于《ADVANCED MATERIALS》期刊上，原文：Ultrasensitive Mid-Infrared Biosensing in Aqueous Solutions with Graphene Plasmons。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
