基于SPR和石墨烯FET的无标记亲和型生物医学传感器研究

摘要

随着生物医学领域的研究不断深入，用于生物医学检测以及生化分析的传感器技术被提出了越来越高的要求。为了从生物医学检测中获取更高质量的信息，应用先进传感技术和敏感材料的新型生物医学传感器技术已经成为近年来学术界的研究热点。近年来，新型生物医学传感器开始向自动化、微型化与集成化和在线连续监测等方向发展。在这种发展趋势下，一种基于生物分子间特异性结合的新型生物医学传感器——表面亲和型生物医学传感器得到了越来越多的关注。表面亲和型生物医学传感器不再使用传统的基于酶和各种标记手段，能够在微小尺度的集成传感器件上实现对目标生物分子的无标记、特异性定量检测。
　　在本文中，我们对表面亲和型生物医学传感器领域中的两个热点研究方向，即表面等离子体共振(Surface plasmon resonance，SPR)生物医学传感器（第二到第四章）和石墨烯场效应管（Graphene field-effect transistor, GFET）生物医学传感器（第五到第八章）分别进行了研究。本文所述的研究中贯彻一种思路，即尽可能将传感器小型化和集成化，以期能用最少量的仪器设备、最低的功耗、最小的器件体积和最少的生物样品消耗完成对所需的生物信息高质量获取。SPR和GFET器件的设计、制作和应用都遵循这一思路。
　　其中，SPR生物医学传感器是一种先进的光学传感技术，本文中涉及SPR部分的具体研究内容主要包括:
　　1.基于小型商用光谱仪设备，设计了一种光谱（波长）调制型SPR传感器。通过观测一定波段内复色光的衰减全反射(Attenuated total reflection，ATR)光强，检测在SPR敏感膜一侧发生的折射率变化和生物分子亲和引起的等效折射率变化。
　　2.根据透明液体对光束的折射作用，设计了一种实现多通道SPR扫描的检测机制。通过使用不同折射率的光学耦合液，将入射光束引导到不同的检测通道上，取代了传统多通道SPR传感系统使用的机械扫描机制，缩小了传感器的体积并简化了扫描操作。
　　3.通过对实验过程中发现的噪声信号的分析，设计了一种依靠多通道分时扫描提供实时更新的SPR光强参考基线的检测机制。实验证明，通过实时刷新参考基线，可以显著改善SPR检测的噪声水平。
　　本文的另一部分研究工作中，基于石墨烯场效应管的生物医学传感器是一种使用近年来极为热门的石墨烯材料的电子学传感器。本文中对GFET器件的研究主要包括:
　　1.基于化学蒸镀沉积(Chemical vapor deposition，CVD)方法的石墨烯合成。通过总结CVD石墨烯的合成条件，摸索并总结出了一套快速、简捷且低成本制备适用于传感器制作的石墨烯材料的方法。
　　2.基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）加工工艺的传感器件制造。MEMS工艺是一种基于IC设计技术总结的用于制作微米尺度器件的标准工艺。本文详细总结了基于MEMS工艺的石墨烯场效应管传感器件设计和制造流程。
　　3.石墨烯器件的电场效应和电子学特性研究。通过对石墨烯在受到带电微粒掺杂时的转移特性和噪声水平进行实验测量和理论分析，本文总结了石墨烯场效应管在用作传感器时的使用规范和优化准则。
　　4.通过对核酸分子间的互补配对杂交和生物分子特异性结合的动力学过程及其生物学机制进行了深入研究，并基于此对石墨烯进行生化修饰，实现了器件对小分子激素生物标志物脱氢表雄甾酮(Dehydroepiandrosterone，DHEA-S)的无标记、特异性定量检测。在验证器件可以用于生物医学传感器的同时，解决了现存的表面亲和型传感器检测小分子的难题。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 表面亲和型无标记生物医学传感器

1．1．1 生物传感器

1．1．2 表面亲和型生物传感器

第二节 本文的研究工作

第三节 选题意义和创新点

第二章 表面等离子体共振传感器概述

第一节 表面等离子体共振传感器的研究背景

第二节 表面等离子体共振传感器原理

2．2．1 金属中的等离子体

2．2．2 全反射中的消逝波

2．2．3 表面等离子体共振的激发

第三节 本章小结

第三章 光谱(波长)型SPR传感器的设计制作及性能测试

第一节 棱镜耦合式SPR传感器

第二节 传感器件的设计和制作

3．2．1 传感器结构与功能要求

3．2．2 光谱调制型SPR模块设计

3．2．3 多通道扫描设计与实现

3．2．4 数据采集与分析方法

第三节 固定折射率溶液的SPR波长响应

3．3．1 实验仪器与实验内容

3．3．2 实验结果与讨论

第四节 本章小结

第四章 光谱(波长)型SPR传感器对蛋白质的检测

第一节 实验材料和检测机制

4．1．1 目标分子：人体免疫球蛋白IgG

4．1．2 实验准备：金膜表面的生化修饰

4．1．3 实验内容

第二节 实验结果和理论分析

4．2．1 实验结果

4．2．2 基于化学平衡理论的IgG表面亲和及响应的动力学过程

4．2．3 传感器对IgG的定量检测性能分析

第三节 本章小结

第五章 石墨烯和石墨烯传感器概述

第一节 石墨烯的研究背景

5．1．1 石墨烯的发现与研究

5．1．2 石墨烯的物理性质

5．1．3 不同方法制备的石墨烯及其性能

5．1．4 石墨烯的器件应用

第二节 石墨烯传感器的种类

第三节 石墨烯场效应管传感器的电子学原理

5．3．1 石墨烯场效应管电子器件

5．3．2 石墨烯液栅场效应管传感器结构

5．3．3 石墨烯的表面电位变化和量子电容对其电导率的影响

5．3．4 石墨烯电导率与其表面电荷掺杂量之间的定量关系

5．3．5 电解液栅极内部带电微粒的分布及其等效电容的影响

第四节 本章小结

第六章 石墨烯液栅场效应管器件的设计与制作

第一节 器件的结构设计

第二节 石墨烯的CVD合成与表征

6．2．1 CVD石墨烯的合成

6．2．2 CVD石墨烯的转移

6．2．3 产物的直观性能表征

第三节 基于MEMS工艺的器件加工

6．3．1 MEMS加工工艺

6．3．2 平面电极和石墨烯导电沟道加工

6．3．3 微流沟道的翻模加工

6．3．4 器件封装

第四节 本章小结

第七章 石墨烯液栅场效应管传感器对pH值的检测

第一节 测试电路与仪器

第二节 石墨烯在不同pH值溶液中的电场效应

7．2．1 实验内容

7．2．2 实验条件

7．2．3 实验结果

第三节 石墨烯场效应管对溶液pH值响应的原理分析

第四节 基于电气表征结果的后续生物实验条件选择

第五节 本章小结

第八章 石墨烯液栅场效应管对小分子生物标志物的检测

第一节 核酸适体

第二节 用于小分子检测的石墨烯液栅场效应管生物传感器

8．2．1 石墨烯表面修饰及其对生物分子的特异性亲和

8．2．2 小分子检测的难点及竞争亲检测机制的设计

第三节 小分子生物标志物竞争特异性亲和实验

8．3．1 目标小分子：DHEA-S

8．3．2 实验准备：石墨烯的生化修饰

8．3．3 生化修饰后的石墨烯电气表征及实验条件的确定

8．3．4 目标小分子(DHEA-S)实验与结果

8．3．5 阴性对照组(DOC)实验与结果

第四节 实验结果的讨论和理论分析

8．4．1 小分子竞争特异性亲和的动力学过程分析

8．4．2 DHEA-S浓度与响应半衰期之间的定量关系

8．4．3 石墨烯场效应管DHEA-S传感器的性能分析

第五节 本章小结

第九章 总结与展望

第一节 研究总结

第二节 未来展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果