Un nuevo y mejor enfoque para detectar falta de uniformidad en las propiedades ópticas de los materiales bidimensionales (2D) podría potencialmente abrir la puerta a nuevos usos para estos materiales, como la aplicación de materiales 2D para la detección de drogas, según un equipo de investigadores

"El Two-Dimensional Crystal Consortium (2DCC) es un líder mundial en la investigación de materiales 2D y mi laboratorio a menudo trabaja con el 2DCC en la caracterización de materiales para materiales 2D novedosos", dijo Slava V. Rotkin, Profesor Frontier de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica con un nombramiento en el Instituto de Investigación de Materiales de Penn State. "Hay un gran desafío en estos estudios:con frecuencia, las propiedades ópticas de los materiales 2D no son uniformes en el espacio. Además, pueden variar en una escala espacial muy pequeña, hasta un solo átomo".

Identificar y comprender tal variabilidad de propiedades podría ser extremadamente importante para ciertas aplicaciones de materiales 2D, que son materiales que tienen un grosor de uno a unos pocos átomos. Dichos materiales atómicamente delgados, que tienen una relación final de superficie a volumen, pueden presentar falta de uniformidad en la superficie a escala nanométrica. Esto incluye impurezas atómicas, adsorbatos, defectos, arrugas, rupturas, etc. Tales características pueden modular las propiedades ópticas y dar como resultado la variabilidad de las propiedades de los materiales.

"A pesar de que esto es crítico para la efectividad en ciertas aplicaciones de materiales 2D, actualmente no existe un enfoque verdaderamente efectivo para detectar estas variabilidades", dijo Rotkin. "Debido a que son tan pequeños, no son detectables por herramientas ópticas y las herramientas no ópticas no pueden resolver el contraste óptico".

Rotkin y otros investigadores pudieron dar un paso hacia una posible solución, que se describió en un estudio reciente en ACS Nano . Esta solución conduciría potencialmente a mejores aplicaciones de materiales 2D para detección médica.

Los investigadores realizaron experimentos utilizando un material de heteroestructura hecho de grafeno, la versión de material 2D del grafito y el compuesto inorgánico disulfuro de molibdeno (MoS2). El MoS2 emite una señal de fotoluminiscencia que detecta la cantidad de transferencia de carga entre el grafeno y las capas de MoS2 y, por lo tanto, puede detectar cambios debido al bioanalito, en este caso el fármaco para el tratamiento del cáncer doxorrubicina (DOX), que puede afectar la carga. Sin embargo, el propio grafeno puede detectar estos cambios mediante el análisis mediante espectroscopia Raman, que detecta vibraciones únicas en las moléculas. El microscopio Raman detecta cambios en la frecuencia de los fotones en el haz de luz láser causados ​​por estas vibraciones.

"Los dos canales juntos permiten una mejor calibración de dos señales contra la concentración del analito y el tipo de analito", dijo Rotkin. "Y, además, el grafeno mejora la señal Raman del analito en sí mismo en la medida en que uno puede 'ver' una señal de unas pocas moléculas".

Los investigadores utilizaron DOX como analito porque es un fármaco común contra el cáncer y existe una gran necesidad de buenos dispositivos médicos, incluidos los sensores. Dos tipos de biosensores son los biosensores sin etiquetas, que se pueden usar para detectar una variedad de fármacos, y los biosensores basados ​​en etiquetas, que solo pueden detectar un fármaco específico. Los investigadores utilizaron biodetección sin etiquetas.

"El biosensor basado en etiquetas es como una cerradura que se puede abrir con una sola llave, pero el biosensor sin etiquetas es como una cerradura con muchas llaves diferentes", dijo Rotkin. "No inventamos la biodetección multimodal sin etiquetas, este enfoque se ha utilizado en otros estudios. Pero una demostración real con un material específico es nueva y sigue siendo importante por sí misma".

Esto es significativo porque la biodetección sin etiquetas es más desafiante que la biodetección basada en etiquetas.

"Hacemos que funcione fusionando varios sensores en un dispositivo, piense en la analogía de la cerradura y la llave como tres cerraduras en una cadena", dijo Rotkin. "Específicamente, aplicamos el DOX a nuestro material 2D, que produce tres señales ópticas diferentes, que constituyen una detección multimodal. Al medir tres señales a la vez en lugar de solo una como en un sensor normal, esto nos permite detectar DOX usando biodetección sin etiquetas".

Si bien Rotkin enfatiza que solo dieron una demostración del principio en el estudio, existen aplicaciones potenciales de este nuevo mecanismo de biodetección sin etiquetas. Potencialmente, podría haber sensores que permitan la detección sin etiquetas de analitos bioquímicos y/o médicos de interés con una preparación mínima de la muestra, en un marco de tiempo abreviado, con límites de detección bajos y usando muestras que contienen sustancias distintas al analito clave.

Esto podría conducir a pasos para resolver varios desafíos de atención médica.

"Teniendo en cuenta que existe una brecha entre la investigación fundamental y sus aplicaciones, diría que contribuimos con un ladrillo para construir un gran conjunto de nanotecnología/nanomateriales para biodetección y otras aplicaciones", dijo Rotkin. "La detección sin etiquetas sienta las bases para sensores inteligentes e integrados, nuevas técnicas de seguridad frente a amenazas biológicas y medicinas y tratamientos más individualizados, entre otros beneficios".

Mientras tanto, también hay beneficios más inmediatos en esta investigación, según Rotkin.

"Este trabajo nos brinda un conocimiento más profundo de las propiedades ópticas generales de los materiales 2D", dijo Rotkin. "Descubrimos algunos de los mecanismos para una estructura específica, el grafeno y el MoS2. Pero nuestro método de nanoimagen es aplicable a muchos otros, si no a todos. Además, esperamos atraer más atención a la física de las heteroestructuras de materiales 2D, como nuestro compuesto material que combinaba las propiedades del grafeno y los materiales de una sola capa de MoS2".

Los próximos pasos de esta investigación incluirán la aplicación del componente de materiales de su trabajo a otros proyectos en el 2DCC, incluidos los relacionados con la plasmónica cuántica y la óptica no lineal 2D. Además, el equipo de investigación buscará socios para investigar aplicaciones prácticas.

"Dado que la detección sin etiquetas es universal, no estamos limitados por un tipo de analito, aplicación o problema", dijo Rotkin. "Aún así, debe haber alguien con un problema real para aplicar el enfoque. Estamos buscando colaboradores del mundo de la medicina para una nueva investigación conjunta emocionante". + Explora más

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