一种石墨烯光电双重检测生物传感器、系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种石墨烯光电双重检测生物传感器、系统及方法，利用化学气相沉积方法在铜箔表面生长的石墨烯薄膜通过湿法转移方法转移到带有两个电极的玻璃基底上作为两电极之间的通道。两个电极分别做源极和漏极。聚二甲基硅氧烷材质的反应腔通过紫固胶粘到石墨烯表面作为盛放电解液和栅极的容器。1‑芘丁酸琥珀酰亚胺酯作为一种连接物将探针固定到石墨烯上；本发明专利技术将FRET生物传感器和场效应管生物传感器结合到一个检测系统中，实现对DNA杂交的光电双重实时检测。

A biologic sensor, system and method for photoelectric double detection of graphene

The invention discloses a graphene double photoelectric detection biosensor, system and method of using chemical vapor deposition method of graphene films on copper foil surface growth through the wet transfer method to transfer the glass substrate with two electrodes as a channel between the two electrodes. The two electrodes are made of the source and the drain, respectively. The reaction chamber of the poly (two methylsiloxane) has been glued to the surface of graphene as a container for the discharge of the electrolyte and the grid. 1 Pyrenebutyric acid hydroxysuccinimide ester as a linker probe fixed to graphene; the invention of FRET biosensors and FET biosensor with a photoelectric detection system, realize the real-time detection of DNA double hybridization.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯光电双重检测生物传感器、系统及方法
本专利技术涉及一种石墨烯光电双重检测生物传感器、系统及方法，实现对DNA杂交的实时动态检测，属于分析化学领域。
技术介绍
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的二维纳米材料。由于它具有大的体表比、高的电子迁移率、极好的热电传导性、高的机械强度等独特的理化性质使得石墨烯在各种生物传感器的发展和应用方面获得了越来越多的关注。吸附在石墨烯表面的生物分子可以调节其电荷的沟道掺杂或者与石墨烯薄膜构成双导电层，引起石墨烯电导率的变化，这使得石墨烯成为场效应管生物传感器中理想的导电通道材料被广泛应用于pH值、蛋白质、葡萄糖等生物分子的检测。氧化石墨烯由于具有较好的亲水性，生物亲和性以及高效的荧光猝灭能力，因此在生物传感器的发展中起着重要的推动作用。一方面，氧化石墨烯的蜂巢结构使得它很容易通过π-π堆垛与单链DNA结合；另一方面，氧化石墨烯的零带隙结构使得它可与任意波长的荧光发生能量共振转移(FRET)，是理想的荧光猝灭剂。因此石墨烯FRET型生物传感器被广泛研究，并应用于DNA检测中。然而，以往的生物传感器中都采用光学或者电学比较单一的检测技术实现对DNA的检测，这不仅影响结果的可靠性，更不利于深入理解DNA杂交的动力学机理。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种石墨烯光电双重检测生物传感器、系统及方法，本专利技术能够实现对DNA杂交动力学的双通道实时检测，提高生物传感器检测的准确性和可靠性。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种石墨烯光电双重检测生物传感器，包括：玻璃基底，设置于玻璃基底上的源极和漏极，位于源极和漏极之间的石墨烯薄膜通道，以及设置在石墨烯薄膜上盛放电解液和栅极的反应腔；所述石墨烯薄膜设置有通过1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯固定的探针链，利用氧化石墨烯与探针链的π-π堆垛作用使两者结合，同时基于荧光共振能量转移从而猝灭修饰在探针链上的荧光；通过DNA目标链取代氧化石墨烯与探针链结合构成的双链DNA与石墨烯薄膜构建新的双导电层，而引起的石墨烯场效应管电导率的变化，以及探针链脱离氧化石墨烯与目标链结合使得探针链上的荧光恢复，实现石墨烯光电双重检测。进一步的，所述石墨烯薄膜利用化学气相沉积方法在铜箔表面生长形成。进一步的，所述石墨烯薄膜通过湿法转移方法转移到玻璃基底上。进一步的，所述反应腔为聚二甲基硅氧烷材质。进一步的，所述石墨烯薄膜包括单层或多层石墨烯。进一步的，所述1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯作为一种连接物将探针探针链固定到石墨烯上，1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯通过其一端的芘基与石墨烯表面的六元环发生π-π堆积作用从而被固定在石墨烯的表面，通过另一端的酰胺键与探针链一端的氨基发生共价结合而把探针链固定在石墨烯表面。上述传感器的构建方法，利用化学气相沉积方法在铜箔表面生长的石墨烯薄膜通过湿法转移方法转移到带有两个电极的玻璃基底上作为两电极之间的通道；聚二甲基硅氧烷材质制成的反应腔胶粘到墨烯薄膜表面作为盛放电解液和栅极的容器；利用1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯将探针链固定到墨烯薄膜上，加入氧化石墨烯，利用氧化石墨烯与单链探针的π-π堆垛作用使两者结合，同时基于荧光共振能量转移从而猝灭修饰在探针链上的荧光。一种石墨烯光电双重检测系统，包括上述传感器和检测模块，所述检测模块包括光路检测模块和电路检测模块，其中：所述电路检测模块，包括微处理器、数/模转换单元、模/数转换单元和桥式平衡电路，所述微处理器通过数/模转换单元连接传感器的栅极，桥式平衡电路一端测量石墨烯的电阻值，另一端通过模/数转换单元连接微处理器；所述光路检测模块，包括光电倍增管(PMT)，所述光电倍增管连接模/数转换单元和微处理器。进一步的，微处理器通过控制数/模转换单元产生电压信号加载于栅极；通过桥式平衡电路测量石墨烯FET的电阻值作为测量信号，经模/数转换单元转换后由微处理器采集并上传。进一步的，光电倍增管将光信号转换为电信号，滤波后也经模/数转换单元转换后由微处理器采集并上传。基于上述检测系统的检测方法，微处理器通过控制数/模转换单元产生电压信号加载于栅极；通过桥式平衡电路测量石墨烯薄膜的电阻值作为测量信号，经模/数转换单元转换后由微处理器采集；由光电转换器将光信号转换为电信号，滤波后经模/数转换单元转换后由微处理器采集，从而光电双通道检测。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术能够通过光电两种方式对DAN杂交的动力学过程进行实时监测，实验结果更加可靠。它不仅为DNA杂交动力学检测提供一种新方法，而且对研究DNA杂交过程中的电子转移等物理过程具有重要的意义。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本专利技术的生物传感器的构建过程示意图；图2为本专利技术的检测原理示意图；图3为本专利技术的光电双通道检测系统示意图；图4为本专利技术的目标链的光电双通道时域检测结果。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。正如
技术介绍
所介绍的，现有技术中存在以往的生物传感器中都采用光学或者电学比较单一的检测技术实现对DNA的检测，这不仅影响结果的可靠性，更不利于深入理解DNA杂交的动力学机理的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于石墨烯的光电双重检测生物传感器，实现对DNA杂交动力学的双通道实时检测，提高生物传感器检测的准确性和可靠性。石墨烯构建的光电双重检测生物传感器设计示意图如附图1所示。利用化学气相沉积方法(CVD)在铜箔表面生长的石墨烯薄膜通过湿法转移方法转移到带有两个电极的玻璃基底上作为两电极之间的通道。两个电极分别做源极和漏极。聚二甲基硅氧烷(PDMS)材质的反应腔通过紫固胶粘到石墨烯表面作为盛放电解液和栅极的容器。1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯(PBASE)作为一种连接物将探针固定到石墨烯上，1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯通过其一端的芘基与石墨烯表面的六元环发生π-π堆积作用从而被固定在石墨烯的表面，通过另一端的酰胺键与探针链一端的氨基发生共价结合而把探针链固定在石墨烯表面。加入氧化石墨烯后，利用氧化石墨烯与单链探针的π-π堆垛作用使两者结合，同时基于荧光共振能量转移从而猝灭修饰在探针链上的荧光。检测原理如附图2所示。当加入目标DNA链后，一方面，由于探针链与目标链的亲和力大于单链DNA与氧化石墨烯的π-π堆垛作用力，所以探针链脱离氧化石墨烯与目标链结合使得探针链上的荧光恢复；另一方面，目标链取代氧化石墨烯与探针链结合构成的双链DNA与石墨烯薄膜构建新的双导电层，从而引起石墨烯场效应管电导率的变化，能够用电学方法检测到。基于这种原理可以将FRET生物传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯光电双重检测生物传感器，其特征是：包括：玻璃基底，设置于玻璃基底上的源极和漏极，位于源极和漏极之间的石墨烯薄膜通道，以及设置在石墨烯薄膜上盛放电解液和栅极的反应腔；所述石墨烯薄膜设置有通过芘丁酸‑酸琥珀酰亚胺酯固定的探针链，利用氧化石墨烯与探针链的π‑π堆垛作用使两者结合，同时基于荧光共振能量转移从而猝灭修饰在探针链上的荧光；通过DNA目标链取代氧化石墨烯与探针链结合构成的双链DNA与石墨烯薄膜构建新的双导电层，而引起的石墨烯场效应管电导率的变化，以及探针链脱离氧化石墨烯与目标链结合使得探针链上的荧光恢复，实现石墨烯光电双重检测。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯光电双重检测生物传感器，其特征是：包括：玻璃基底，设置于玻璃基底上的源极和漏极，位于源极和漏极之间的石墨烯薄膜通道，以及设置在石墨烯薄膜上盛放电解液和栅极的反应腔；所述石墨烯薄膜设置有通过芘丁酸-酸琥珀酰亚胺酯固定的探针链，利用氧化石墨烯与探针链的π-π堆垛作用使两者结合，同时基于荧光共振能量转移从而猝灭修饰在探针链上的荧光；通过DNA目标链取代氧化石墨烯与探针链结合构成的双链DNA与石墨烯薄膜构建新的双导电层，而引起的石墨烯场效应管电导率的变化，以及探针链脱离氧化石墨烯与目标链结合使得探针链上的荧光恢复，实现石墨烯光电双重检测。2.如权利要求1所述的一种石墨烯光电双重检测生物传感器，其特征是：所述石墨烯薄膜利用化学气相沉积方法在铜箔表面生长形成，所述石墨烯薄膜通过湿法转移方法转移到玻璃基底上。3.如权利要求1所述的一种石墨烯光电双重检测生物传感器，其特征是：所述反应腔为聚二甲基硅氧烷材质。4.如权利要求1所述的一种石墨烯光电双重检测生物传感器，其特征是：所述石墨烯薄膜包括单层或多层石墨烯。5.如权利要求1所述的一种石墨烯光电双重检测生物传感器，其特征是：所述1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯作为一种连接物将探针探针链固定到石墨烯上，1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯通过其一端的芘基与石墨烯表面的六元环发生π-π堆积作用从而被固定在石墨烯的表面，通过另一端的酰胺键与探针链一端的氨基发生共价结合而把探针链固定在石墨烯表面。6.如权利要求1-5中任一项所述的传感器的构建方法，其特征是：利用化学气相沉积方法在铜箔表面生长的石墨烯薄膜通过湿法转移方法转移到带有两个电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳伟伟，汤彩艳，谢晓慧，华宏令，张震，李佳宁，刘淑一，张哲豪，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：山东,37