通過傅里葉變換紅外光譜 (FTIR) 識別水溶液中的納米級生物分子為探索生物活性分子的結構、反應和傳輸提供了一種原位和無創的方法。然而，這仍然是一個挑戰，因為水的強烈和廣泛的紅外吸收壓倒了生物分子各自的振動指紋。在這項工作中，利用具有石墨烯等離子體的可調紅外透明微流體系統來識別生理條件下約 2 nm 厚的蛋白質。獲得的原位可調性使得通過背景減除消除石墨烯等離子體熱點之外的水的紅外吸收成為可能。最重要的是，石墨烯等離子體的超高限制（限制在 ≈15 nm）允許實現納米級靈敏度。然后，氘對單層蛋白的影響是在水溶液中表征的。可調諧石墨烯等離子體增強 FTIR 技術為研究納米級水溶液中的生物過程提供了一個新平臺。
Figure 1. 可調諧石墨烯等離子體增強 FTIR 平臺。a) GP-aIR 生物傳感器示意圖。石墨烯等離子體裝置集成在紅外透明微流體系統中，而選擇 200 µm 厚的氟化鈣 (CaF
2 ) 晶體作為頂部窗口。石墨烯等離子激元使用入射紅外光激發，并通過門控原位調諧。等離子體共振與熱點中的蛋白質耦合。b)具有/不具有石墨烯等離子體增強的微流體系統中蛋白質溶液(5 mg mL
-1 )的FTIR光譜。c)石墨烯-等離子體增強 FTIR 在水溶液中吸附蛋白質之前（灰色曲線）和之后（紅色曲線）的放大中紅外區域 (1600–1700 cm
-1 )。
EF = 0.3 eV，石墨烯納米帶寬度≈60 nm，周期≈120 nm。插圖：石墨烯納米帶在 10.526 µm（即 950 cm
- 1）的 IR 波長下的近場光學圖像，比例尺：200 nm。
Figure 2. 用電可調石墨烯等離子體選擇性探測蛋白質。a)石墨烯等離子體器件的轉移特性曲線和相應的
E F。b) 實線是石墨烯等離激元響應在不同柵極電壓下的實驗結果；虛線是相同石墨烯納米帶在不同
E F下的模擬結果。1 mg mL
-1蛋白溶液流動2 h后采集實驗結果，石墨烯納米帶寬度≈50 nm，周期≈100 nm。
Figure 3. 在生理條件下的吸附過程中鑒定蛋白質。a) 不同吸附時間（0、7、8、16、20 分鐘）下等離子增強的蛋白質 IR 響應（ΔExtinction）。石墨烯納米帶寬度≈70 nm，周期≈140 nm，蛋白質溶液濃度為5 mg mL
-1。b) 石墨烯納米帶在蛋白質吸附 1 小時前后的形態和各自的 AFM 高度數據。c）不同吸附厚度（0、2、4、6、8 nm）的石墨烯-等離子體增強蛋白質紅外響應的模擬ΔExtinction。石墨烯器件的參數與（a）中的相同，
E F設置為0.25 eV。d)
EF GP-aIR 生物傳感器在蛋白質吸附過程中的變化，從轉移特征曲線中提取，如插圖所示。
Figure 4. 由 GP-aIR 生物傳感器監控的 H/D 交換過程。a) 原位和實時識別H
2O 和 D
2O 中的蛋白質，這些蛋白質交替注入數次。蛋白質濃度為1 mg mL
-1。b) D
2O/H
2O 誘導的分子結構變化和氫鍵相互作用的圖示。c)不同D
2O濃度（17%、34%、51%、68%、85 %)。
相關研究工作由國家納米科學中心Xiaoxia Yang和Qing Dai團隊于2022年在線發表于《ADVANCED MATERIALS》期刊上，原文：Ultrasensitive Mid-Infrared Biosensing in Aqueous Solutions with Graphene Plasmons。
轉自《石墨烯研究》公眾號
