Selon une équipe de des chercheurs.

« Le Two-Dimensional Crystal Consortium (2DCC) est un leader mondial dans la recherche sur les matériaux 2D et mon laboratoire travaille souvent avec le 2DCC pour effectuer la caractérisation des matériaux pour de nouveaux matériaux 2D », a déclaré Slava V. Rotkin, professeur Frontier en sciences de l'ingénieur et mécanique avec un nomination au Materials Research Institute de Penn State. "Il y a un grand défi dans ces études :souvent, les propriétés optiques des matériaux 2D ne sont pas uniformes dans l'espace. De plus, elles peuvent varier à une très petite échelle spatiale, jusqu'à un seul atome."

L'identification et la compréhension d'une telle variabilité de propriétés pourraient être extrêmement importantes pour certaines applications des matériaux 2D, qui sont des matériaux d'un à quelques atomes d'épaisseur. De tels matériaux atomiquement minces, ayant un rapport surface/volume ultime, peuvent posséder des non-uniformités de surface à l'échelle du nanomètre. Cela inclut les impuretés atomiques, les adsorbats, les défauts, les rides, les ruptures, etc. De telles caractéristiques peuvent moduler les propriétés optiques et entraîner une variabilité des propriétés des matériaux.

"Bien que cela soit essentiel pour l'efficacité de certaines applications de matériaux 2D, il n'existe actuellement aucune approche vraiment efficace pour détecter ces variabilités", a déclaré Rotkin. "En raison de leur si petite taille, ils sont indétectables par les outils optiques et les outils non optiques ne peuvent pas résoudre le contraste optique."

Rotkin et d'autres chercheurs ont pu faire un pas vers une solution possible, qui a été décrite dans une étude récente dans ACS Nano . Cette solution conduirait potentiellement à de meilleures applications des matériaux 2D pour la détection médicale.

Les chercheurs ont mené des expériences en utilisant un matériau à hétérostructure composé de graphène, la version matérielle 2D du graphite et le composé inorganique disulfure de molybdène (MoS2). Le MoS2 donne un signal de photoluminescence qui détecte la quantité de transfert de charge entre les couches de graphène et de MoS2, et peut donc détecter les changements dus au bioanalyte, dans ce cas le médicament de traitement du cancer doxorubicine (DOX), qui peut affecter la charge. Cependant, le graphène lui-même peut détecter ces changements via une analyse par spectroscopie Raman, qui détecte des vibrations uniques dans les molécules. Le microscope Raman capte les changements de fréquence des photons dans le faisceau de lumière laser causés par ces vibrations.

"Les deux canaux permettent ensemble un meilleur étalonnage des deux signaux par rapport à la concentration d'analyte et au type d'analyte", a déclaré Rotkin. "Et en plus, le graphène améliore le signal Raman de l'analyte lui-même dans la mesure où l'on peut 'voir' un signal de quelques molécules seulement."

Les chercheurs ont utilisé DOX comme analyte car il s'agit d'un médicament anticancéreux courant et il existe un besoin aigu de bons dispositifs médicaux pour cela, y compris des capteurs. Deux types de biocapteurs sont les biocapteurs sans étiquette, qui peuvent être utilisés pour détecter une variété de médicaments, et les biocapteurs à base d'étiquettes, qui ne peuvent détecter qu'un médicament spécifique. Les chercheurs ont utilisé la biodétection sans étiquette.

"Le biocapteur à base d'étiquettes est comme une serrure qui peut être ouverte avec une seule clé, mais le biocapteur sans étiquette est comme une serrure avec de nombreuses clés différentes", a déclaré Rotkin. "Nous n'avons pas inventé la biodétection multimodale sans étiquette, cette approche l'a été dans d'autres études. Mais une démonstration réelle avec un matériau spécifique est nouvelle et toujours importante en soi."

Ceci est important car la biodétection sans étiquette est plus difficile que la biodétection basée sur l'étiquette.

"Nous le faisons fonctionner en fusionnant plusieurs capteurs dans un seul appareil, pensez à l'analogie de la serrure et de la clé comme trois serrures sur une chaîne", a déclaré Rotkin. "Plus précisément, nous appliquons le DOX à notre matériau 2D, qui produit trois signaux optiques différents, constituant une détection multimodale. En mesurant trois signaux à la fois au lieu d'un seul comme dans un capteur normal, cela nous permet de détecter DOX à l'aide d'une biodétection sans étiquette."

Alors que Rotkin souligne qu'ils n'ont donné qu'une démonstration du principe dans l'étude, il existe des applications potentielles de ce nouveau mécanisme de biodétection sans étiquette. Il pourrait y avoir des capteurs qui permettent la détection sans étiquette d'analytes bio, chimiques et/ou médicaux d'intérêt avec une préparation d'échantillon minimale, dans un laps de temps abrégé, avec des limites de détection basses et en utilisant des échantillons contenant des substances autres que l'analyte clé.

Cela pourrait conduire à des étapes pour résoudre divers problèmes de santé.

"Gardant à l'esprit qu'il existe un fossé entre la recherche fondamentale et ses applications, je dirais que nous avons contribué à la construction d'un vaste ensemble de nanotechnologies/nanomatériaux pour la biodétection et d'autres applications", a déclaré Rotkin. "La détection sans étiquette jette les bases de capteurs intelligents et intégrés, de nouvelles techniques de sécurité contre les menaces biologiques et de médicaments et de traitements plus individualisés, entre autres avantages."

En attendant, il y a aussi des avantages plus immédiats à cette recherche, selon Rotkin.

"Ce travail nous donne une connaissance plus approfondie des propriétés optiques globales des matériaux 2D", a déclaré Rotkin. "Nous avons découvert certains des mécanismes d'une structure spécifique, le graphène et le MoS2. Mais notre méthode de nanoimagerie est applicable à beaucoup d'autres, sinon à toutes. De plus, nous espérons attirer une attention supplémentaire sur la physique des hétérostructures de matériaux 2D telles que notre composite matériau qui combine les propriétés du graphène et des matériaux monocouches MoS2."

Les prochaines étapes de cette recherche consisteront à appliquer la composante matériaux de leurs travaux à d'autres projets du 2DCC, notamment ceux impliquant la plasmonique quantique et l'optique non linéaire 2D. De plus, l'équipe de recherche recherchera des partenaires pour rechercher des applications pratiques.

"Étant donné que la détection sans étiquette est universelle, nous ne sommes pas limités par un type d'analyte, une application ou un problème", a déclaré Rotkin. "Néanmoins, il doit y avoir quelqu'un avec un vrai problème pour appliquer l'approche. Nous recherchons des collaborateurs du monde de la médecine pour de nouvelles recherches conjointes passionnantes." + Explorer plus loin

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