石墨烯表面调控及其肝肿瘤甲胎蛋白传感器的研究

Heptoma is one of the most common malignancies with extremely high fatality and poor prognosis. At present, it still lacks of effective early detection methods and good post-operative prognosis monitoring methods while graphene sensor can provide such feasibility to solve these problems. However, the current graphene sensor also has some problems like difficulty in stable binding with antibody sensitive layer, low sensitivity and selectivity. To address these issues, this project target on the graphene FET sesnsor for the detection of hepatoma biomarker (alpha-fetoprotein, AFP). First, study the regulation rules of surface structures affected by graphene growth, doping, transfer, post-treatment, and device preparation processes; then study the influence rules of AFP antibody grafting efficiency and sensor performance affected by surface structures, design surface partitions for optimized AFP antibody grafting scheme, reveal the intrinsic correlation among graphene surface structures, antibody grafting efficiency and sensor performance, find the key affecting factors of sensor’s performance and increase its sensitivity, selectivity and stability; finally, graphene AFP sensor prototype device with low cost and high performance are constructed. This proposal not only has important scientific significance for in-depth understanding of the graphene biosensor properties, but also has significant application values for the early diagnosis and prognosis of hepatoma.

肝肿瘤是最常见的恶性肿瘤之一，有极高的致命性和极差的预后性，目前仍缺乏有效的早期检测和良好的术后预后监测手段，石墨烯传感器为解决这一问题提供了可行性。然而，当前石墨烯传感器还存在难与抗体敏感层稳定结合、灵敏性和选择性低等问题。针对这些问题，本项目以检测肝肿瘤标记物（甲胎蛋白，AFP）的石墨烯FET传感器为研究对象，首先研究石墨烯生长、掺杂、转移、后处理及器件制备工艺对其表面结构的调控规律；然后研究石墨烯不同表面结构对AFP抗体接枝效率和传感性能的影响规律，设计表面分区结构优化抗体接枝方案，揭示其表面结构——抗体接枝效率——传感器性能间内在关联，找到影响石墨烯AFP传感性能的关键因素，提高石墨烯AFP传感器的灵敏度、选择性及稳定性；最后，构建低成本、高性能的石墨烯AFP传感器原型器件。本项目的研究，不仅对深入理解石墨烯生物传感特性具有重要科学意义，而且对肝肿瘤早期诊断与预后具有重大应用价值。

石墨烯由于其优异的性能被认为在传感器领域有着广阔的应用前景，但目前制备的石墨烯由于制备方法所限而存在各种缺陷。一方面，缺陷的存在破坏了石墨烯结构的完美性，降低其某些性能（载流子迁移率等），但另一方面，石墨烯本身的六元环结构使其具有极高的化学稳定性，难与其它分子键合，而缺陷却使其具有更高的反应活性；因此，本项目利用这些缺陷并对其进行有效的表面调控，从而与特异性的生物标记物相结合，用以制备对待检测物具有高选择性的生物传感器敏感层，并最终制备出高性能传感器件。本项目从石墨烯薄膜的转移、缺陷的生长调控和缺陷的后处理调控三个方面系统地研究了石墨烯的表面调控，并以肝肿瘤标记物甲胎蛋白（AFP）作为石墨烯传感器器件性能验证的目标，成功研制了低成本、高灵敏、高选择性的石墨烯AFP传感器原型器件,其检测限达到了30 fg/mL。本项目的研究，有望推广至其他蛋白、DNA等的石墨烯传感器研究之中，不但对深入理解石墨烯材料的表面化学与生物传感具有重要的科学意义，而且对于进一步拓展石墨烯应用领域，以及对于肝肿瘤治疗领域的早期诊断及预后随诊，都具有重要的工程意义和社会价值。