18.05.2020 - Rice University

2D-Sandwich sieht Moleküle mit Klarheit

Forscher passen 2D-'Sandwich' für oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie an

Ein Sandwich aus Molybdän, Schwefel und Selen erweist sich als außerordentlich nützlich für den Nachweis von Biomolekülen.

Tests an der Brown School of Engineering der Rice University mit einer zweidimensionalen Janus-Verbindung zeigten, dass sie eine effektive und universelle Plattform für die Verbesserung des Nachweises von Biomolekülen mittels oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (SERS) sein könnte.

Die Verwendung von Glukose zum Testen des Materials bewies seine Fähigkeit, seinen Raman-Verstärkungsfaktor um mehr als das 100.000-fache zu erhöhen, was nach Ansicht der Forscher mit dem höchsten berichteten Verstärkungsfaktor für 2D-Substrate vergleichbar ist.

SERS ist eine etablierte Technik, die den Nachweis und die Identifizierung kleiner Konzentrationen von Molekülen - oder sogar einzelner Moleküle - ermöglicht, die sich metallischen Oberflächen, einschließlich Nanopartikeln, nähern oder von diesen adsorbiert werden. Sie wird häufig zum Nachweis nanoskaliger Proteine in Körperflüssigkeiten, zur Erkennung von Krankheiten und zur Festlegung von Behandlungen sowie in der Umweltanalyse eingesetzt.

Aber metallische SERS-Medien rufen oft Nebenreaktionen hervor, die Hintergrundgeräusche erzeugen. Janus MoSSe, das bei Rice synthetisiert wird, ist nichtmetallisch. "Diese Arbeit befasst sich hauptsächlich mit der Frage, ob wir die Signalstärke der Zielmoleküle verstärken können", sagte der Materialwissenschaftler und Hauptforscher Jun Lou. "Wir wollten wissen, ob wir es aus dem Hintergrundrauschen herausheben können."

Die Antwort war eindeutig ja, wie Lou und sein Team in Nanoscale berichteten.

MoSSe, das 2017 vom Lou-Labor eingeführt wurde, wurde durch chemische Gasphasenabscheidung hergestellt. In der Mitte befindet sich Molybdän mit einer Schicht aus Schwefel auf der einen Seite und einer weiteren aus Selen auf der anderen; daher die zweiseitige Janus-Charakterisierung.

Die unterschiedlichen Elektronegativitäten jeder Schicht machen sie zu einem SERS-Superstar, sagte der Hauptautor und Rice-Alumnus Shuai Jia, ein ehemaliger Doktorand in Lous Labor.

"Der Dipol, der zwischen dem oberen Schwefel und dem unteren Selen erzeugt wird, landet außerhalb der Ebene, und dies erzeugt ein elektrisches Feld einige Nanometer jenseits der MoSSe," sagte Jia. Dieses Feld interagiert mit Molekülen, die in die Nähe kommen, und verstärkt ihre Schwingungsintensität so stark, dass sie erkannt werden können.

Die Forscher stellten fest, dass bei Tests mit MoSSe auch Moleküle des Neurotransmitters Dopamin nachgewiesen wurden und dass das Substrat anpassungsfähig sein sollte, um andere Moleküle wahrzunehmen.

Lou sagte, es gäbe Raum für Verbesserungen. "Wir schauen uns Hybride von MoSSe mit einigen metallischen Nanopartikeln an und versuchen auch, die Dipolstärke zu verbessern", sagte er.

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