Фосфорени як новий матеріал для поверхнево-підсиленої інфрачервоної спектроскопії клітинних мембран
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe71.4.349Ключові слова:
фосфорени, спектральнi маркери, модельнi мембрани, поверхнево-пiдсилене iнфрачервоне поглинання (SEIRA)Анотація
Фосфорен – це перспективний двовимiрний матерiал, що складається з моношару фосфору, штучно створеного з шаруватого чорного фосфору, вiдомого як найстабiльнiший алотроп фосфору. Ми очiкуємо, що фосфорени демонструватимуть подiбну поведiнку до графенових пiдкладок для поверхнево-посиленої iнфрачервоної спектроскопiї (SEIRA). В данiй роботi представлено експеримент SEIRA на модельнiй бiологiчнiй клiтиннiй мембранi на основi лiпiдiв DOPC на поверхнi з кiлькох шарiв фосфорену. Коефiцiєнт пiдсилення, отриманий в експериментi, становить до 2–4 без змiни положень частот поглинання основних маркерних смуг лiпосом, що можна порiвняти з даними на частинках металевого срiбла. DFT-розрахунки системи DOPC-фосфорен показали високу реакцiйну здатнiсть багатошарових фосфоренiв i можливiсть швидкого, часто оборотного, залежно вiд pH середовища, окислення й вiдновлення фосфорену лiпiдними групами. Враховуючи, що оптичний сигнал вiд мембрани незначний, цю методику можна рекомендувати для експериментiв iз застосуванням 2D-фосфорену як пiдкладки SEIRA та SERS у дослiдженнi мембран.
Посилання
1. A.H. Khan, S. Ghosh, B. Pradhan, A. Dalui, L.K. Shrestha, S. Acharya, K. Ariga. Two-dimensional (2D) nanomaterials towards electrochemical nanoarchitectonics in energy-related applications. Bull. Chem. Soc. Jpn. 90, 627 (2017).
https://doi.org/10.1246/bcsj.20170043
2. A.V. Terebilenko, M.V. Olenchuk, D.O. Mazur, A.S. Nikolenko, V.I. Popenko, G.I. Dovbeshko, O. Bezkrovnyi, T. Sabov, B.M. Romanyuk, V.N. Poroshin, S.V. Ryabukhin, D.M. Volochnyuk, S.V. Kolotilov. Influence of formation temperature on the morphology of MoS2 and its catalytic properties in the hydrogenation of isomeric bromoquinolines to bromo-1,2,3,4-tetrahydroquinolines. Dalton Trans. 54, 13057 (2025).
https://doi.org/10.1039/D5DT00065C
3. M.V. Olenchuk, U.K. Afonina, O.P. Gnatyuk, V.V. Strelchuk, A.S. Nikolenko, G.I. Dovbeshko. Heat annealing influences the optical properties of 2D-MoS2 nanoparticles. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 749, 1 (2022).
https://doi.org/10.1080/15421406.2022.2067669
4. G.I. Dovbeshko, U.K. Afonina, M.V. Olenchuk, I.M. Kupchak, O.P. Gnatyuk, G.P. Monastyrskyi, A.S. Nikolenko, H.V. Shevliakova, A.N. Morozovska. Effect of 2D-WS2 nanoparticles on a local electrical field at a membrane vicinity: Vibrational spectroscopy data. J. Phys. Chem. C 128, 1131 (2024).
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c05693
5. V. Sorkin, Y. Cai, Z. Ong, G. Zhang, Y.W. Zhang. Recent advances in the study of phosphorene and its nanostructures. Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 42, 1 (2017).
https://doi.org/10.1080/10408436.2016.1182469
6. S.M. Tan, M. Pumera. Two-dimensional materials on the rocks: Positive and negative role of dopants and impurities in electrochemistry. ACS Nano 13, 2681 (2019).
https://doi.org/10.1021/acsnano.8b07795
7. J. Chao, M. Zou, C. Zhang, H. Sun, D. Pan, H. Pei, S. Su, L. Yuwen, C. Fan, L.A. Wang. A MoS2-based system for efficient immobilization of hemoglobin and biosensing applications. Nanotechnology 26, 274005 (2015).
https://doi.org/10.1088/0957-4484/26/27/274005
8. C.I. Idumah. Phosphorene polymeric nanocomposites for biomedical applications: A review. Int. J. Polym. Mater. Polym. Biomater. 73, 292 (2024).
https://doi.org/10.1080/00914037.2022.2158333
9. K.H. Min, K.H. Kim, S.P. Pack. Two-dimensional materials for biosensing: Emerging bio-converged strategies for wearable and implantable platforms. Chemosensors 13, 209 (2025).
https://doi.org/10.3390/chemosensors13060209
10. J. Ko, C. Ock, H. Gim, K. Hong, Y. Lee, K.C. Kwon. Twodimensional materials for artificial sensory devices: Advancing neuromorphic sensing technology. npj 2D Mater. Appl. 9, 35 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41699-025-00556-2
11. R. Gusm˜ao, Z. Sofer, M. Pumera. Black phosphorus rediscovered: From bulk material to monolayers. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 56, 8052 (2017).
https://doi.org/10.1002/anie.201610512
12. R.K. Mishra, J. Sarkar, I. Chianella, S. Goel, H.Y. Nezhad. Black phosphorus: The rise of phosphorene in 2D materials applications. Next Materials 4, 100217 (2024).
https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2024.100217
13. A. Chalechale, R. Melnik, Z.L. Miˇskovic. Modeling of anisotropy effects in phosphorene devices. Phys. Rev. Appl. 23, 064031 (2025).
https://doi.org/10.1103/y75r-txww
14. M.S. Islam, M.T. Islam, M.R. Hossain. Phosphorene: A novel nanomaterial revolutionizing biomedicine. JCIS Open 16, 100123 (2024).
https://doi.org/10.1016/j.jciso.2024.100124
15. A. Jain, A. McGaughey. Strongly anisotropic in-plane thermal transport in single-layer black phosphorene. Sci. Rep. 5, 8501 (2015).
https://doi.org/10.1038/srep08501
16. X. Zhang, Q. Li, B. Xu, B. Wan, J. Yin, X.G. Wan. Tuning carrier mobility of phosphorene nanoribbons by edge passivation and strain. Phys. Lett. A 380, 614 (2016).
https://doi.org/10.1016/j.physleta.2015.11.019
17. L. Kou, C. Chen, S.C. Smith. Phosphorene: fabrication, properties, and applications. J. Phys. Chem. Lett. 6, 2794 (2015).
https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5b01094
18. N.M. Latiff, C.C. Mayorga-Martinez, Z. Sofer, A.C. Fisher, M. Pumera. Cytotoxicity of phosphorus allotropes (black, violet, red). Appl. Mater. Today 13, 310 (2018).
https://doi.org/10.1016/j.apmt.2018.09.010
19. M. Qiu, A. Singh, D.Wang, J. Qu, M. Swihart, H. Zhang, P.N. Prasad. Biocompatible and biodegradable inorganic nanostructures for nanomedicine: Silicon and black phosphorus. Nano Today 25, 135 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.nantod.2019.02.012
20. J. Ouyang, Y. Deng, W. Chen, Q. Xu, L. Wang, Z. Liu, F. Tang, L. Deng, Y.N. Liu. Marriage of artificial catalase and black phosphorus nanosheets for reinforced photodynamic antitumor therapy. J. Mater. Chem. B 6, 2057 (2018).
https://doi.org/10.1039/C8TB00371H
21. J. Liu, P. Du, T. Liu, B.J. C'ordova Wong, W. Wang, H. Ju, J. Lei. A black phosphorus/manganese dioxide nanoplatform: Oxygen self-supply monitoring, photodynamic therapy enhancement and feedback. Biomaterials 192, 179 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.10.018
22. J. Xie, T. Fan, J.H. Kim, Y. Xu, Y. Wang, W. Liang, L. Qiao, Z. Wu, Q. Liu, W. Hu, N. Yin, L. Yang, L. Liu, J.S. Kim, H. Zhang. Large-area flexible organic solar cells with a robust silver nanowire-polymer composite as transparent top electrode. Adv. Funct. Mater. 30, 1 (2020).
23. G. Yang, X. Wan, Z. Gu, X. Zeng, J. Tang. Near infrared photothermal-responsive poly(vinyl alcohol)/black phosphorus composite hydrogels with excellent on-demand drug release capacity. J. Mater. Chem. B 6, 1622 (2018).
https://doi.org/10.1039/C7TB03090H
24. M.A. Buabeid, E.S.A. Arafa, G. Murtaza, Emerging prospects for nanoparticle-enabled cancer immunotherapy. J. Immunol. Res. 2020, 9624532 (2020).
https://doi.org/10.1155/2020/9624532
25. X. Shou, Y. Liu, D. Wu, H. Zhang, Y. Zhao, W. Sun, X. Shen. Black phosphorus quantum dots doped multifunctional hydrogel particles for cancer immunotherapy. Chem. Eng. J. 408, 127349 (2021).
https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127349
26. Z.L. Shaw, S. Kuriakose, S. Cheeseman, E.L.H. Mayes, A. Murali, Z.Y. Oo, T. Ahmed, N. Tran, K. Boyce, J. Chapman, C.F. McConville, R.J. Crawford, P.D. Taylor, A.J. Christofferson, V.K. Truong, M.J.S. Spencer, A. Elbourne, S. Walia. Broad-spectrum solvent-free layered black phosphorus as a rapid action antimicrobial. ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 17340 (2021).
https://doi.org/10.1021/acsami.1c01739
27. P. Zhang, B. Sun, F. Wu, Q. Zhang, X. Chu, M. Ge, N. Zhou, J. Shen. Wound healing acceleration by antibacterial biodegradable black phosphorus nanosheets loaded with cationic carbon dots. J. Mater. Sci. 56, 6411 (2021).
https://doi.org/10.1007/s10853-020-05766-1
28. Ying Teng Yew, Z. Sofer, C.C. Mayorga Martinez, M. Pumera. Black phosphorus nanoparticles as a novel fluorescent sensing platform for nucleic acid detection. Mater. Chem. Front. 1, 1130 (2017).
https://doi.org/10.1039/C6QM00341A
29. V. Kumar, J.R. Brent, M. Shorie, H. Kaur, G. Chadha, A.G. Thomas et al. Nanostructured aptamer-functionalized black phosphorus sensing platform for label-free detection of myoglobin, a cardiovascular disease biomarker. ACS Appl. Mater. Interfaces 8, 22860 (2016).
https://doi.org/10.1021/acsami.6b06488
30. W. Chen, J. Ouyang, H. Liu, M. Chen, K. Zeng, J. Sheng, Z. Liu, Y. Han, L. Wang, J. Li, L. Deng, Y.-N. Liu, S. Guo. Black phosphorus nanosheet-based drug delivery system for synergistic photodynamic/photothermal/chemotherapy of cancer. Adv. Mater. 29, 1603864 (2017).
https://doi.org/10.1002/adma.201603864
31. E. Kovalska, J. Luxa, T. Hartman, N. Antonatos, P. Shaban, E. Oparin, M. Zhukova, Z. Sofer. Non-aqueous solution-processed phosphorene by controlled low-potential electrochemical exfoliation and thin film preparation. Nanoscale 12, 2638 (2020).
https://doi.org/10.1039/C9NR10257D
32. P. Yasaei, B. Kumar, T. Foroozan, C. Wang, M. Asadi, D. Tuschel, J.E. Indacochea, R.F. Klie, A. Salehi-Khojin. High-quality black phosphorus atomic layers by liquidphase exfoliation. Adv. Mater. 27, 1887 (2015).
https://doi.org/10.1002/adma.201405150
33. M. Bogdanov, K. Pyrshev, S. Yesylevskyy, S. Ryabichko, V. Boiko, P. Ivanchenko, R. Kiyamova, Z. Guan, C. Ramseyer, W. Dowhan. Phospholipid distribution in the cytoplasmic membrane of Gram-negative bacteria is highly asymmetric, dynamic, and cell shape-dependent. Sci. Adv. 6, eaaz6333 (2020).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz6333
34. G.I. Dovbeshko, U.K. Afonina, M.V. Olenchuk, I.M. Kupchak, O.P. Gnatyuk, G.P. Monastyrskyi, A.S. Nikolenko, H.V. Shevliakova, A.N. Morozovska. Effect of 2D-WS2 nanoparticles on a local electrical field at a membrane vicinity: Vibrational spectroscopy data. J. Phys. Chem. C 128, 1131 (2023).
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c05693
35. G. Monastyrskyi, O. Gnatyuk, I. Gubareni, G. Levchenko, A. Nikolenko, M. Olenchuk, A. Tolochko, I. Kupchak, G. Dovbeshko. MoS2 2D nanoparticles as inducers of changes in liposomes formation and their spectroscopic properties. Low Temp. Phys. 51, 261 (2025).
https://doi.org/10.1063/10.0035414
36. M. Olenchuk, G. Monastyrskyi, Yu.M. Barabash, O. Gnatyuk, Ie. Gubareni, G. Levchenko, A. Nikolenko, A. Tolochko, I. Kupchak, G. Dovbeshko. The influence of 2DWS2 nanoparticles on the liposomes formation, morphology and spectral properties. J. Molecul. Struct. 1352, Part 1, 144277 (2025).
https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2025.144277
37. Z. Guo, H. Zhang, S. Lu, Z. Wang, S. Tang, J. Shao, Z. Sun, H. Xie, H. Wang, X.-F. Yu, P.K. Chu. From black phosphorus to phosphorene: Basic solvent exfoliation, evolution of raman scattering, and applications to ultrafast photonics. Adv. Funct. Mater. 25, 6996 (2015).
https://doi.org/10.1002/adfm.201502902
38. J. G'omez-P'erez, B. Barna, I.Y. T'oth, Z. K'onya, 'A. kos Kukovecz. Quantitative tracking of the oxidation of black phosphorus in the few-layer regime. ACS Omega 3, 12482 (2018).
https://doi.org/10.1021/acsomega.8b01989
39. GAMESS-US, version 15 JUL 2024 (R2 Patch 1).
https://doi.org/10.1109/SoutheastCon52093.2024.10500126
40. G.M.J. Barca, C. Bertoni, L. Carrington et al. Recent developments in the general atomic and molecular electronic structure system. J. Chem. Phys. 152, 154102 (2020).
https://doi.org/10.1063/5.0005188
41. P.J. Stephens, F.J. Devlin, C.F. Chabalowski, M.J. Frisch. Ab initio calculation of vibrational absorption and circular dichroism spectra using density functional force fields. J. Phys. Chem. 98, 11623 (1994).
https://doi.org/10.1021/j100096a001
42. P.J. Hay, W.R. Wadt. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for the transition metal atoms Sc to Hg. J. Chem. Phys. 82, 270 (1985).
https://doi.org/10.1063/1.448799
43. W.R. Wadt, P.J. Hay. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for main group elements Na to Bi. J. Chem. Phys. 82, 284 (1985).
https://doi.org/10.1063/1.448800
44. P.J. Hay, W.R. Wadt. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for K to Au including the outermost core orbitals. J. Chem. Phys. 82, 299 (1985).
https://doi.org/10.1063/1.448975
45. S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich, H. Krieg. A consistent and accurate ab initio parametrization of density functional dispersion correction (DFT-D) for the 94 elements H-Pu. J. Chem. Phys. 132, 154104 (2010).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
