Как показала последняя работа совместной группы ученых из Австралии и США, дисульфид молибдена может использоваться для создания весьма точных биосенсоров, позволяющих отслеживать ионный обмен в живых организмах. В рамках предложенного учеными эксперимента двумерный материал использовался для обнаружения глюкозы в растворе, а также изучения ионного обмена в клетках дрожжей путем оптического мониторинга его фотолюминесценции. Как считают ученые, технологию в перспективе вполне можно интегрировать на чипы микро- или нанофлюидики, что позволит создать простые в использовании системы биосенсоров.

Двумерный слой молибденита (дисульфида молибдена) представляет собой полупроводник с прямой запрещенной зоной. Чрезвычайно тонкие хлопья этого материала могут изготавливаться с использованием тех же методов жесткого пилинга, что на данный момент используются для получения фрагментов графена из кристалла графита.

Подобные методики позволяют получить кусочки дисульфида молибдена размером 1–2 нм в ширину и 10 – 30 нм в длину.

Не так давно исследователи обнаружили, что двумерный дисульфид молибдена в результате оптического возбуждения может излучать свет.

Материал начинает проявлять фотолюминесцентные свойства, благодаря гибридизации атомных орбиталей молекул молибдена и серы, когда толщина кристалла уменьшается. За счет этой особенности, когда толщина материала сводится к одному молекулярному слою, дисульфид молибдена превращается из полупроводника с обратной запрещенной зоной в полупроводник с прямой запрещенной зоной, и эта трансформация усиливает излучаемый в результате фотолюминесценции свет.

Совместная группа ученых из RMIT University (Австралия) и MIT (США) в своей последней работе использовала фотолюминесцентные свойства двумерного слоя дисульфида молибдена, чтобы создать на основе двумерных фрагментов дисульфида молибдена новый тип биосенсоров.

Команда обнаружила:

когда ионы калия и, к примеру, водорода высвобождаются из клеток и ферментов, они встают (интеркалируют) между отдельными слоями дисульфида молибдена. Контролируя эти изменения оптически (за счет описанной выше фотолюминесценции), можно изучать особенности ионного обмена, к примеру, в клетках дрожжей.

В приведенном примере при повышении концентрации ионов калия в окружающем пространстве фотолюминесценция дисульфида молибдена постепенно исчезает. Таким же методом можно обнаруживать в растворе присутствие глюкозы.

При повышении концентрации молекул глюкозы вокруг биосенсора на основе дисульфида молибдена, фотолюминесценция будет уменьшаться.

Рис. 1. Спектры фотолюминесценции небольших фрагментов двумерного дисульфида молибдена.

В перспективе ученые планируют использовать обнаруженные ими особенности фотолюминесценции для мониторинга ионного обмена в живых клетках, который необходим для понимания фундаментальных биологических процессов. Как известно, ионы водорода, лития, натрия и калия имеют жизненно важное значение для многих биологических процессов, в частности, для передачи нервных импульсов, регулирования объема жидкости в организме, сердечной деятельности и определения метаболических функций. Новая исследовательская методика позволит узнать больше об этих процессах.

В ближайшее время команда планирует сосредоточиться на интеграции разработанных двумерных биодатчиков с технологиями микро- и нанофлюидики, чтобы создать практичные и простые в использовании системы биодатчиков.

Подробные результаты текущей работы опубликованы в журнале Nano Letters.