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氮掺杂石墨烯用于构建高度灵敏的传感器

一个工作在宾夕法尼亚州立大学的国际研究团队已经利用氮掺杂石墨烯作为基底研发出了一个高度灵敏的化学传感器。这种技术可以在非常低的浓度下检测出溶液中分子的痕量。研发此传感器所使用的拉曼光谱,是检测各种分子独特的内部振动常用的识别技术:当激光光线照射晶体或分子时,将会发生散射和颜色变化。这种散射光将会以拉曼光谱(其作为每个拉曼活性照射系统的独特指纹)的形式被检测到。可见光谱中的不同颜色与不同的能量相关。

该研究团队在他们的实验中选择了三种类型的荧光染料分子。经常在生物实验中被用作标记物的荧光染料在拉曼光谱中很难被检测到,因为荧光会洗涤信号。然而,当染料被添加到石墨烯或N掺杂石墨烯基板上时,其光致发光-荧光淬灭。就其本身而言,拉曼信号如此之弱,因此人们尝试了许多方法来加强其信号。一种使用原始石墨烯作为基板的技术可以将其拉曼信号提高几个数量级。研究人员发现,在原始石墨烯中添加氮原子可以进一步提高灵敏度,并且可以给出石墨烯和氮掺杂石墨烯如何导致增强的理论解释。

“通过控制氮掺杂我们可以改变石墨烯的能隙,并且该改变能够产生一个显著增强分子振动拉曼模式的共振效应”。他们还指出,“该增强很难量化,因为每一种材料和光的颜色都将是不同的。但在某些情况下,我们将从零到我们第一次可以检测的一些东西。你可以看到很多特征,然后进行大量的物理研究。对我来说,这项工作的最重要的方面是我们对这种现象的认识和理解。这将引领该技术进步。”

由于石墨烯的化学惰性和生物相容性,研究团队预计,该新技术将有效地检测有机分子的痕量。研究人员对于将该技术与便携式拉曼光谱仪(该仪器可以被带到偏远的地方去检测例如危险的病毒)相结合的前景感到很兴奋。他们研究的荧光染料将使它快速容易地看到生物细胞内化合物的存在。该技术本身是非常简单的——将石墨烯基板在溶液中浸泡一小会儿——所以构建特定分子拉曼光谱的整个库应该是可行的。

来源:石墨烯网

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