[發(fā)明專利]基于金納米棒信號(hào)放大的石墨烯生物傳感器系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111152107.4
• 申請(qǐng)日: 2021-09-29
• 公開（公告）號(hào): CN113866099A
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高曉光;李曉春;李凌宇;鄧榮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/21
• 分類號(hào): G01N21/21;G01N21/01
• 代理公司: 太原晉科知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 任林芳

本發(fā)明為一種基于金納米棒信號(hào)放大的石墨烯生物傳感器系統(tǒng)，屬于生化檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是利用石墨烯在全反射條件下對(duì)s偏振光吸收強(qiáng)的特點(diǎn)，利用s偏振光以全反角入射激發(fā)石墨烯表面的倏逝場(chǎng)；之后，通過在石墨烯表面旋涂金納米棒，利用金納米棒的局域表面等離子體性質(zhì)使得金納米棒的縱模式與石墨烯表面的倏逝場(chǎng)耦合，實(shí)現(xiàn)石墨烯表面的場(chǎng)增強(qiáng)；最后，通過檢測(cè)全反角處s偏振光的光強(qiáng)變化實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的高靈敏度檢測(cè)。以兔IgG為例，相較于沒有金納米棒的純石墨烯，其檢測(cè)限整整降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了2.6 ng/mL，本發(fā)明系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)科學(xué)、結(jié)構(gòu)合理、使用方便、免標(biāo)記、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣使用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及生化檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于金納米棒信號(hào)放大的石墨烯生物傳感器系統(tǒng)。

背景技術(shù)

近年來，二維材料憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于凝聚態(tài)物理、光電子器件、傳感器和儲(chǔ)能器件等領(lǐng)域。這其中石墨烯憑借其超高的載流子遷移率、優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和機(jī)械性能以及良好的表面可修飾性而被廣泛的應(yīng)用于傳感器的設(shè)計(jì)。

2010年，Guo等人制備了鉑納米粒子和石墨烯的雜化材料，利用金屬納米粒子催化的電化學(xué)反應(yīng)完成了對(duì)H2O2分子的檢測(cè)（ACS Nano 2010, 4: 3959-3968.）。該傳感器的檢測(cè)極限為80 nM，在1 μM 到500 μM的范圍內(nèi)具有很好的線性。除此之外，金納米顆粒、普魯士藍(lán)修飾的石墨烯也可以用來檢測(cè)H2O2。2010年，Mao等人制備了一種基于高溫還原氧化石墨烯的場(chǎng)效應(yīng)管傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)抗原蛋白的高靈敏度和高特異性檢測(cè)（Adv. Mater. 2010,22: 3521-3526.）。研究者將金納米小球均勻的散布在石墨烯表面，通過金納米小球來連接抗體。當(dāng)抗原與抗體發(fā)生相互作用時(shí)，石墨烯的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)抗原蛋白的高靈敏度檢測(cè)。在該器件中，研究者通過金納米小球來連接抗體蛋白，可以有效解決在石墨烯表面直接接種抗體引起的器件不穩(wěn)定性的問題。此外，基于石墨烯的場(chǎng)效應(yīng)管也被廣泛應(yīng)用于DNA和重金屬離子的檢測(cè)中。2015年，Zhang等人設(shè)計(jì)了基于石墨烯量子點(diǎn)和芘修飾分子信標(biāo)的熒光檢測(cè)技術(shù)，其中，芘能夠增強(qiáng)石墨烯量子點(diǎn)和分子信標(biāo)上熒光染料之間的熒光能量共振轉(zhuǎn)移作用。研究者利用該技術(shù)能夠檢測(cè)到的miRNA濃度低至0.1 nM（ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7: 16152-16156.）。以上這些分析方法都有著檢測(cè)靈敏度高的特點(diǎn)，但是在這些技術(shù)中，所需的配套儀器昂貴，樣品的制作過程非常復(fù)雜。此外，基于石墨烯的熒光檢測(cè)技術(shù)和場(chǎng)效應(yīng)管傳感器容易受到外界環(huán)境的干擾，導(dǎo)致其檢測(cè)結(jié)果的可重復(fù)性往往很差。這些缺陷都限制了以上技術(shù)的大面積推廣以及應(yīng)用。

2013年，Ye等人在研究入射光與石墨烯的相互作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，在全反射條件下，石墨烯對(duì)s偏振光的吸收遠(yuǎn)大于p偏正光，具備偏振吸收光學(xué)性質(zhì)（Appl. Phys. Lett. 2013,102: 021912.）。此后，研究者分別從理論和實(shí)驗(yàn)研究了激光入射角度、石墨烯厚度、石墨烯表面介質(zhì)的折射率等實(shí)驗(yàn)條件對(duì)石墨烯的偏振吸收光學(xué)性質(zhì)的影響，并將石墨烯的偏振吸收光學(xué)性質(zhì)用于傳感器的設(shè)計(jì)。其折射率分辨率優(yōu)于其它種類的基于折射率傳感的光學(xué)傳感器。基于折射率傳感的石墨烯光學(xué)傳感器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)生物分子實(shí)時(shí)、無標(biāo)記的檢測(cè)，還能呈現(xiàn)生物分子相互作用的動(dòng)力學(xué)過程，被成功的用于癌細(xì)胞的檢測(cè)以及生物分子特異性的檢測(cè)。但是該傳感器容易受到環(huán)境光、激光功率漂移、外界溫度等因素影響，這些都限制了該技術(shù)檢測(cè)靈敏度的進(jìn)一步提升以及大面積的推廣和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容