新型柔性生物化学传感器的构建及生物分子识别应用

With the development of intelligent terminals, flexible biochemical sensor, as one core component of the wearable electronic device, has drawn much attention. Among the variety of transducer concepts proposed for flexible biochemical sensor, graphene-based field effect transistor (GFET) is one of the most attractive platforms. However, the stability of GFET biochemical sensor is limited by the size-controlled production of high-quality graphene sheets. Herein, we design and present a whole reduced graphene oxide (RGO)-based FET biochemical sensor by using covalent layer–by–layer (LBL) method and covalent receptor immobilization method. An optimal modification of sensing surface by introducing small-size receptor, blocking reagent, etc., leading to the sensitive and selective detection of biomolecules. The sensing mechanism of the biochemical sensor could be verified that other types of biochemical sensors based on the same mechanisms can be developed in the future. Furthermore, a multi-sensor would be developed for the multiplexed detection of biomolecules at the same time. Our work will shed light on and inspire new concepts on other flexible biochemical sensors. The biochemical sensors reported here may be a potential tool for clinical disease diagnosis and anti-bioterrorism etc.

随着智能终端的普及,柔性生物化学传感器作为可穿戴电子设备的关键部件之一而备受关注。石墨烯基场效应晶体管被认为是构建柔性生物化学传感器的有效载体。然而，由于高质量的石墨烯不易制备、石墨烯层数无法控制等原因，使得传感器的稳定性往往不能令人满意。基于此，本项目拟利用共价键层层自组装的成膜方法和共价键结合固定敏感探针的方法，构建一个全部以共价键形式连接的全还原氧化石墨烯基场效应晶体管生物化学传感器，以期具有高度稳定性，且制备工艺简单。同时，通过传感界面的修饰调控，以对肝癌肿瘤标志物甲胎蛋白的检出为例，实现该传感器对生物分子的高灵敏性和高选择性识别，阐明其传感机理，并拓展该传感器对多种生物分子同时识别的应用。最终发展一类新型柔性生物化学传感器，使之成为临床疾病诊断、军事与生物反恐等实际应用的新选择！

柔性电化学生物传感器是目前可穿戴电子设备研究的前沿和热点。石墨烯基场效应晶体管作为可构建该类传感器的有效载体备受科研人员们的关注。但是高质量的石墨烯制备困难且其层数无法精准控制，制备具有高溶剂耐受性和优异电学稳定性的场效应器件依然是该研究领域的一项艰巨挑战。为构筑一类新型的具有超高稳定性的柔性生物传感器，兼具制备过程简单、成本低、数据重复性好，我们在本项目中：（1）发明全新的器件构筑方法，利用共价键层层自组装的成膜方法设计构建了一个全部以共价键形式连接的全还原氧化石墨烯基场效应晶体管；（2）采用共价键结合等方法，对敏感探针分子实施了有效固定，以便对目标分子进行特异性识别；（3）以对肝癌肿瘤标志物甲胎蛋白的检出为例，通过抗甲胎蛋白抗体修饰后的传感器实现了对甲胎蛋白的灵敏检测,其最低检出限达到了临床实际使用标准值。（4）探索该类传感器在多目标物同时检测上的应用，提高了检测结果的准确性。（5）尝试可用于制备柔性器件的几种半导体材料，进一步拓展该类生物传感器的可应用范围。本项目的实施和完成，不仅为实现场效应器件的超高稳定性提供了一个全新的构建方法和设计思路，并且初步阐明了基于全共价键器件的生物传感器的传感机理，为该类传感器的设计构建提供了原理支撑，同时通过利用该传感器对真实疾病标志物样本的定量检测的结果表明，该新型柔性生物传感器有望成为临床疾病诊断、军事与生物反恐等实际应用的新选择！