国家纳米科学中心Xiaoxia Yang和Qing Dai团队–石墨烯等离子在水溶液中实现超灵敏中红外生物传感

通过傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 识别水溶液中的纳米级生物分子为探索生物活性分子的结构、反应和传输提供了一种原位和无创的方法。然而，这仍然是一个挑战，因为水的强烈和广泛的红外吸收压倒了生物分子各自的振动指纹。在这项工作中，利用具有石墨烯等离子体的可调红外透明微流体系统来识别生理条件下约 2 nm 厚的蛋白质。获得的原位可调性使得通过背景减除消除石墨烯等离子体热点之外的水的红外吸收成为可能。最重要的是，石墨烯等离子体的超高限制（限制在 ≈15 nm）允许实现纳米级灵敏度。然后，氘对单层蛋白的影响是在水溶液中表征的。可调谐石墨烯等离子体增强 FTIR 技术为研究纳米级水溶液中的生物过程提供了一个新平台。

Figure 1. 可调谐石墨烯等离子体增强 FTIR 平台。a) GP-aIR 生物传感器示意图。石墨烯等离子体装置集成在红外透明微流体系统中，而选择 200 µm 厚的氟化钙 (CaF₂ ) 晶体作为顶部窗口。石墨烯等离子激元使用入射红外光激发，并通过门控原位调谐。等离子体共振与热点中的蛋白质耦合。b)具有/不具有石墨烯等离子体增强的微流体系统中蛋白质溶液(5 mg mL ^-1 )的FTIR光谱。c)石墨烯-等离子体增强 FTIR 在水溶液中吸附蛋白质之前（灰色曲线）和之后（红色曲线）的放大中红外区域 (1600–1700 cm ^-1 )。E_F = 0.3 eV，石墨烯纳米带宽度≈60 nm，周期≈120 nm。插图：石墨烯纳米带在 10.526 µm（即 950 cm ^{– 1}）的 IR 波长下的近场光学图像，比例尺：200 nm。

Figure 2. 用电可调石墨烯等离子体选择性探测蛋白质。a)石墨烯等离子体器件的转移特性曲线和相应的E_F。b) 实线是石墨烯等离激元响应在不同栅极电压下的实验结果；虚线是相同石墨烯纳米带在不同E _F下的模拟结果。1 mg mL ^-1蛋白溶液流动2 h后采集实验结果，石墨烯纳米带宽度≈50 nm，周期≈100 nm。

Figure 3. 在生理条件下的吸附过程中鉴定蛋白质。a) 不同吸附时间（0、7、8、16、20 分钟）下等离子增强的蛋白质 IR 响应（ΔExtinction）。石墨烯纳米带宽度≈70 nm，周期≈140 nm，蛋白质溶液浓度为5 mg mL ^-1。b) 石墨烯纳米带在蛋白质吸附 1 小时前后的形态和各自的 AFM 高度数据。c）不同吸附厚度（0、2、4、6、8 nm）的石墨烯-等离子体增强蛋白质红外响应的模拟ΔExtinction。石墨烯器件的参数与（a）中的相同，E_F设置为0.25 eV。d) E_F  GP-aIR 生物传感器在蛋白质吸附过程中的变化，从转移特征曲线中提取，如插图所示。

Figure 4. 由 GP-aIR 生物传感器监控的 H/D 交换过程。a) 原位和实时识别H₂O 和 D₂O 中的蛋白质，这些蛋白质交替注入数次。蛋白质浓度为1 mg mL ^-1。b) D₂O/H₂O 诱导的分子结构变化和氢键相互作用的图示。c)不同D₂O浓度（17%、34%、51%、68%、85 %)。

相关研究工作由国家纳米科学中心Xiaoxia Yang和Qing Dai团队于2022年在线发表于《ADVANCED MATERIALS》期刊上，原文：Ultrasensitive Mid-Infrared Biosensing in Aqueous Solutions with Graphene Plasmons。