CN106442395A - 一种基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法及系统，所述方法通过利用透射型太赫兹时域光谱检测技术，同时兼以红外激光诱导激发，采用自推导公式对石墨烯膜旋涂待测蛋白后的电导率、吸收系数等参数进行测定，在不考虑基底层材料种类的情况下，实现对石墨烯膜上蛋白分子的敏感检测，并根据对电导率波形图以及吸收系数波形图的分析，确定待测蛋白的参杂效应及特征谱参数。
Description
技术领域
本发明涉及生物分子检测技术领域，尤其涉及的是一种基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法及系统。
背景技术
在整个电磁辐射谱中，太赫兹(THz)区域是最后一个被探索和开发的频段。太赫兹波是一种被定义为介于0.1-10THz的电磁波，在长波段与(亚)毫米波重合，在短波段与红外线重合。自20世纪80年代，太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术以大带宽、高信噪比及可在室温工作的优点，促成其近年来越来越多的应用。随着对THz生物现象的理解，THz-TDS技术已被证明在研究生物的物理特性及功能方面，具有突出优势，尤其是在分子与分子之间的弱相互作用，蛋白质分子骨架的集体振动，偶极子的旋转及低频振动吸收频率等一系列检测问题上取得一定成功后，逐渐渗透到生物分子的传感研究中。
石墨烯是一种新型的二维碳纳米材料，由于其在K点的色散关系呈线性和零带隙的能级结构，在足够强的光激发下，载流子的带间跃迁(发射光子)超过带内跃迁，形成特殊的载流子弛豫行为，并在THz频段产生极强的动态电导率响应；另外，石墨烯表面介质作为一种参杂体，会对石墨烯载流子转移及电学特性发生影响。
基于这一特性，利用光激发石墨烯表面的超高载流子迁移，作为对石墨烯表面介质的太赫兹检测机制，可以被应用于太赫兹频段蛋白分子信号的检测研究中。然而在过去几年中，虽然石墨烯凭借独特的电、光学性质以及良好的生物相容性在生物医学检测领域获得较大关注，但是基于石墨烯表面的蛋白分子对石墨烯物理性质的影响，例如对电导率、吸收系数等参数的测定目前仍是空白；另外，将石墨烯材料本征特性与生物分子特性相结合，以突出THz波段较之其他波段的检测优势，这方面的研究也很少报道。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法及系统，旨在解决现有技术中缺少采用太赫兹波对石墨烯表面的蛋白分子进行检测的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法，其中，包括步骤：
A、预先制备表面涂有待测蛋白的带有基底的石墨烯膜和参考样本；
B、在不同波长且功率可调的红外激光照射下，分别对穿过涂有待测蛋白的石墨烯膜的太赫兹波和穿过参考样本的太赫兹波进行检测；
C、根据检测结果计算涂有待测蛋白的石墨烯膜的电导率和吸收系数并绘制相应的电导率波形图和吸收系数波形图；
D、对所述电导率波形图和吸收系数波形图进行分析，确定待测蛋白的掺杂效应及特征谱参数。
较佳地，所述的基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法，其中，所述基底材料为高阻硅、石英或蓝宝石中的一种。
较佳地，所述的基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法，其中，所述红外激光为波长为808nm或1064nm的连续光。
较佳地，基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法，其中，所述红外激光的功率为0-450mW。
较佳地，所述的基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法，其中，所述太赫兹波的检测频段为0.1-2.5THz。
较佳地，所述的基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法，其中，所述步骤C具体包括：
C1、采用公式：计算涂有待测蛋白的石墨烯膜的电导率，其中，为待求的涂有待测蛋白的石墨烯膜电导率，所述为标准化透射率，所述和分别为待测蛋白和参考样品的时域信号经傅里叶变换后得到的频域信号；所述分别为蛋白层和硅片的折射率，η0为真空波阻抗，d为蛋白层的厚度，为太赫兹波在蛋白层中的传播系数，FP(ω)为法布里-帕罗因子；
C2、采用公式计算涂有待测蛋白的石墨烯膜的吸收系数，其中，α(ω)为吸收系数，n″p(ω)为折射率的虚部，λ为太赫兹波波长。
一种基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的系统，其中，包括：
样本制备模块，用于预先制备表面涂有待测蛋白的带有基底的石墨烯膜和参考样本；
检测模块，用于在不同波长且功率可调的红外激光照射下，分别对穿过涂有待测蛋白的石墨烯膜的太赫兹波和穿过参考样本的太赫兹波进行检测；
计算模块，用于根据检测结果计算涂有待测蛋白的石墨烯膜的电导率和吸收系数并绘制相应的电导率波形图和吸收系数波形图；
分析模块，用于对所述电导率波形图和吸收系数波形图进行分析，确定待测蛋白的掺杂效应及特征谱参数。
较佳地，所述的基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的系统，其中，所述基底材料为高阻硅、石英或蓝宝石中的一种。
较佳地，所述的基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的系统，其中，所述红外激光为波长为808nm或1064nm的连续光；所述红外激光的功率为0-450mW。
较佳地，所述的基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的系统，其中，计算模块具体包括：
电导率计算单元，用于通过公式：计算涂有待测蛋白的石墨烯膜的电导率，其中，为待求的石墨烯膜电导率，所述为标准化透射率，所述和分别为待测蛋白和参考样品的时域信号经傅里叶变换后得到的频域信号；所述分别为蛋白层和硅片的折射率，η0为真空波阻抗，d为蛋白层的厚度，为太赫兹波在蛋白层中的传播系数，FP(ω)为法布里-帕罗因子；
吸收系数计算单元，用于通过公式计算涂有待测蛋白的石墨烯膜的吸收系数，其中，α(ω)为吸收系数，n″p(ω)为折射率的虚部，λ为太赫兹波波长。
有益效果：本发明提供一种基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法及系统，所述方法通过利用透射型太赫兹时域光谱检测技术，同时兼以红外激光诱导激发，采用自推导公式对石墨烯膜旋涂待测蛋白后的电导率、吸收系数等参数进行测定，在不考虑基底层材料种类的情况下，实现对石墨烯膜上蛋白分子的敏感检测，并根据对电导率波形图以及吸收系数波形图的分析，确定待测蛋白的掺杂效应及特征谱参数。
附图说明
图1为本发明一种基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法较佳实施例的流程图。
图2为本发明涂有待测蛋白的石墨烯膜在波长为808nm的红外激光照射下测得的电导率波形图示意图。
图3为本发明涂有待测蛋白的石墨烯膜在波长为1064nm的红外激光照射下测得的电导率波形图示意图。
图4为本发明涂有待测蛋白的石墨烯膜在波长为808nm的红外激光照射下测得的吸收系数波形图示意图。
图5为本发明涂有待测蛋白的石墨烯膜在波长为1064nm的红外激光照射下测得的吸收系数波形图示意图。
图6为本发明裸露石墨烯膜在波长为808nm的红外激光照射下测得的电导率波形图示意图。
图7为本发明裸露石墨烯膜在波长为1064nm的红外激光照射下测得的电导率波形图示意图。
图8为本发明裸露石墨烯膜在波长为808nm的红外激光照射下测得的吸收系数波形图示意图。
图9为本发明裸露石墨烯膜在波长为1064nm的红外激光照射下测得的吸收系数波形图示意图。
图10为本发明一种基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的系统较佳实施例的结构框图。
具体实施方式
本发明提供一种基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明一种基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法较佳实施例的流程图，如图所示，其包括步骤：
S100、预先制备表面涂有待测蛋白的带有基底的石墨烯膜和参考样本；
S200、在不同波长且功率可调的红外激光照射下，分别对穿过涂有待测蛋白的石墨烯膜的太赫兹波和穿过参考样本的太赫兹波进行检测；
S300、根据检测结果计算涂有待测蛋白的石墨烯膜的电导率和吸收系数并绘制相应的电导率波形图和吸收系数波形图；
S400、对所述电导率波形图和吸收系数波形图进行分析，确定待测蛋白掺杂效应及特征谱参数。
本发明的检测原理在于，作为具有优异晶体品质和电子性质的石墨烯对于吸附到其表面的物质甚至单个分子都会产生响应，考虑膜上待测蛋白分子为石墨烯的参杂体，由于电荷转移，石墨烯的局部电导会发生变化，而太赫兹波对这种变化异常敏感。因此，运用太赫兹检测技术并加以相应的算法即可得到旋涂待测蛋白石墨烯膜的电导率和吸收系数，与裸露石墨烯膜电导率及吸收系数波形参数做对比，以此进一步用于对蛋白信号的检测，并确定所述待测蛋白分子的参杂效应及特征谱参数。
具体地，本发明以在硅基单层石墨烯上涂覆牛血清蛋白为例对所述方案进行阐述，在所述步骤S100中，预先制备表面涂有待测蛋白的带有基底的石墨烯膜和参考样本；具体地，先将粉末状牛血清蛋白溶于磷酸盐缓冲液配制成固定浓度的蛋白溶液，调节所述蛋白溶液的pH值为7.2～7.4，并以旋涂方式将蛋白溶液吸附于石墨烯表面，从而制备出表面涂有待测蛋白的硅基石墨烯膜。
较佳地，本发明中的蛋白溶液以10mg/mL的牛血清蛋白溶液作为示例,利用旋涂仪以4000转/分的优化旋涂速度将牛血清蛋白分子旋涂于硅基石墨烯膜表面，旋涂时间为一分钟，使得硅基石墨烯膜表面涂覆的待测蛋白均匀分布且具有一定厚度；进一步，所述参考样本为硅片。
优选地，在本发明中，所述基底材料可以为高阻硅、石英或蓝宝石中的一种，当然所述基底材料并不限于所述举例的三种，只要是对太赫兹光高透的物质，均可用于作为石墨烯膜的基底。
进一步，本发明所述步骤S200中，在不同波长且功率可调的红外激光照射下，分别对穿过硅基石墨烯膜上待测蛋白的太赫兹波和穿过硅片的太赫兹波进行检测。
具体地，将吸附有牛血清蛋白分子的硅基石墨烯膜垂直放置于透射型太赫兹时域光谱仪的聚焦平面上，太赫兹焦斑半径约0.5mm，并以红外激光照射聚焦平面，808nm激光焦斑半径约2.5mm，1064nm激光焦斑半径约0.6mm，保证红外激光将太赫兹光的焦斑完全覆盖，且与太赫兹波同时穿过样品，随后对携带有外部激励响应的待测蛋白信号及参考信号的太赫兹波进行检测。
进一步，本发明采用的红外激光分别为波长为808nm和1064nm的连续光，所述红外光的功率为0到450mW可调。较佳地，在波长为808nm和1064nm，功率分别为0mW、50mW、150mW、250mW、350mW以及450mW的红外激光照射下，对穿过涂有待测蛋白的石墨烯膜的太赫兹波依次进行检测，所述太赫兹波检测频段为0.1-2.5THz；
根据所述检测结果可计算出旋涂待测蛋白石墨烯膜的电导率和吸收系数，最后根据计算结果绘制相应的电导率波形图和吸收系数波形图，得到的波形图如图2-图5所示。
基于上述同样的方法，根据检测结果还可计算出裸露石墨烯膜的电导率和吸收系数，并根据计算结果绘制相应的电导率波形图和吸收系数波形图，得到的波形图如图5-图9所示。
进一步，在本发明中，所述步骤S300、根据检测结果推导计算旋涂蛋白分子后石墨烯膜的电导率和吸收系数，并绘制相应的电导率波形图和吸收系数波形图，具体包括：
首先，利用太赫兹波在待测蛋白层中传播所引起的相位变化来求得待测蛋白层的折射率，公式为：其中，其中np是待测蛋白层的折射率，c是光速，Δφ(ω)是相位差，ω是角频率，d是待测蛋白层的厚度，可用台阶仪或原子力显微镜测得。同理，利用此公式将d换成硅片的厚度带入，可得硅片的折射率。
根据参考文献，推导太赫兹波从蛋白层经石墨烯膜辐射到硅层的透射率公式如下：其中，ηp，ηs分别是太赫兹波在蛋白层和硅层的波阻抗，而则是石墨烯膜的电导率；由于在实际实验中，并不能得到的值，故不能由此公式得到石墨烯的电导率只是为推导出以下公式。
由以上公式和菲涅尔公式可导出，太赫兹波从空气经蛋白层、石墨烯膜辐射到硅层的透射率为：，其中，为太赫兹波在蛋白层中的传播系数，FP(ω)为法布里-帕罗因子。
进一步，太赫兹从空气辐射到硅层的透射率为：再根据(η0为真空波阻抗，n、η分别为太赫兹波传播介质的折射率和波阻抗)，将化为其中，标准化透射率，和分别为待测样品和参考样品时域信号经傅里叶变换后得到的频域信号，故可由实验得到准确值；参考样品为硅片； 分别为蛋白层和硅片的折射率，η0为真空波阻抗，值约为377Ω，d为蛋白层的厚度，FP(ω)为法布里-帕罗因子，在此可以忽略；此公式中的即为欲求的旋涂待测蛋白石墨烯膜的电导率。
进一步，所述涂有待测蛋白的石墨烯膜吸收系数则是由折射率的虚部计算而来，公式为：其中，α(ω)为吸收系数，n″p(ω)为折射率的虚部，λ为太赫兹波波长。
进一步，可根据计算得到的涂有待测蛋白的石墨烯膜的电导率和吸收系数绘制相应的电导率波形图和吸收系数波形图，如图2－图5所示；同样可根据计算得到的裸露石墨烯膜的电导率和吸收系数绘制相应的电导率波形图和吸收系数波形图，如图6－图9所示。
图6-图9所示的是裸露的石墨烯膜，在808nm和1064nm这两种波长下，以不同功率的红外激光激励产生的电导率波形图和吸收系数波形图；通过分析发现，随着波长和功率的增加，同样频率下的电导率和吸收系数都会增加；同时对比分析图2-图5后发现，在同一波长和功率的激光激励下，有无涂覆待测蛋白的石墨烯膜在同一频率下的电导率或吸收系数都不相同，通过这点可以作为石墨烯膜上是否涂覆有蛋白层的判定。
图2-图5所示的是旋涂待测蛋白石墨烯膜在808nm和1064nm这两种波长下，以不同功率的红外激光激励产生的电导率波形图和吸收系数波形图；从图4和图5中的吸收系数波形图中可以观察到，不同功率的激光不仅对吸收峰的幅值有影响，还对吸收峰的位置有调制作用。在0.5及2THz附近，检测到不同于图8和图9中裸露石墨烯膜上的2个吸收峰，且随着功率的增加，吸收峰的位置发生了蓝移。此外，在1064nm激发下，随着外扰激发功率从0-450mW的增加，在0.5-1THz频段下，吸收峰逐渐变得明显，这些特征均产生于蛋白分子的参杂效应，并可确定该种蛋白质分子的特征谱参数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的经审核原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应在本发明的保护范围之内。
基于上述方法，本发明还提供一种基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的系统，如图10所示，其中包括：
样本制备模块100，用于预先制备表面涂有待测蛋白的带有基底的石墨烯膜和参考样本；
检测模块200，用于在不同波长且功率可调的红外激光照射下，分别对穿过涂有待测蛋白的石墨烯膜的太赫兹波和穿过参考样本的太赫兹波进行检测；
计算模块300，用于根据检测结果计算涂有待测蛋白的石墨烯膜的电导率和吸收系数并绘制相应的电导率波形图和吸收系数波形图；
分析模块400，用于对所述电导率波形图和吸收系数波形图进行分析，确定待测蛋白的掺杂效应及特征谱参数。
较佳地，所述的基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的系统，其中，所述基底材料为高阻硅、石英或蓝宝石中的一种。
较佳地，所述的基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的系统，其中，所述红外激光为波长为808nm或1064nm的连续光；所述红外激光的功率为0-450mW。
较佳地，所述的基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的系统，其中，计算模块300具体包括：
电导率计算单元，用于通过公式：计算涂有待测蛋白的石墨烯膜的电导率，其中，为待求的石墨烯膜电导率，所述为标准化透射率，所述和分别为待测蛋白和参考样品的时域信号经傅里叶变换后得到的频域信号；所述分别为蛋白层和硅片的折射率，η0为真空波阻抗，d为蛋白层的厚度，为太赫兹波在蛋白层中的传播系数，FP(ω)为法布里-帕罗因子；
吸收系数计算单元，用于通过公式计算涂有待测蛋白的石墨烯膜的吸收系数，其中，α(ω)为吸收系数，n″p(ω)为折射率的虚部，λ为太赫兹波波长。
综上所述，本发明提供一种基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法及系统，所述方法通过利用透射型太赫兹时域光谱检测技术，同时兼以红外激光诱导激发，采用自推导公式对石墨烯膜旋涂待测蛋白后的电导率、吸收系数等参数进行测定，在不考虑基底层材料种类的情况下，实现对石墨烯膜上蛋白分子的敏感检测，并根据对电导率波形图以及吸收系数波形图的分析，确定待测蛋白参杂效应及特征谱参数。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，例如，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法，其特征在于，包括步骤：
A、预先制备表面涂有待测蛋白的带有基底的石墨烯膜和参考样本；
B、在不同波长且功率可调的红外激光照射下，分别对穿过涂有待测蛋白的石墨烯膜的太赫兹波和穿过参考样本的太赫兹波进行检测；
C、根据检测结果计算涂有待测蛋白的石墨烯膜的电导率和吸收系数并绘制相应的电导率波形图和吸收系数波形图；
D、对所述电导率波形图和吸收系数波形图进行分析，确定待测蛋白的掺杂效应及特征谱参数。
2.根据权利要求1所述的基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法，其特征在于，所述基底材料为高阻硅、石英或蓝宝石中的一种。
3.根据权利要求1所述的基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法，其特征在于，所述红外激光为波长为808nm或1064nm的连续光。
4.根据权利要求1基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法，其特征在于，所述红外激光的功率为0-450mW。
5.根据权利要求1所述的基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法，其特征在于，所述太赫兹波的检测频段为0.1-2.5THz。
6.根据权利要求1所述的基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：
C1、采用公式：计算涂有待测蛋白的石墨烯膜的电导率，其中，为待求的涂有待测蛋白的石墨烯膜电导率，所述为标准化透射率，所述和分别为待测蛋白和参考样品的时域信号经傅里叶变换后得到的频域信号；所述分别为蛋白层和硅片的折射率，η0为真空波阻抗，d为蛋白层的厚度，为太赫兹波在蛋白层中的传播系数，FP(ω)为法布里-帕罗因子；
C2、采用公式计算涂有待测蛋白的石墨烯膜的吸收系数，其中，α(ω)为吸收系数，n″p(ω)为折射率的虚部，λ为太赫兹波波长。
7.一种基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的系统，其特征在于，
包括：
样本制备模块，用于预先制备表面涂有待测蛋白的带有基底的石墨烯膜和参考样本；
检测模块，用于在不同波长且功率可调的红外激光照射下，分别对穿过涂有待测蛋白的石墨烯膜的太赫兹波和穿过参考样本的太赫兹波进行检测；
计算模块，用于根据检测结果计算涂有待测蛋白的石墨烯膜的电导率和吸收系数并绘制相应的电导率波形图和吸收系数波形图；
分析模块，用于对所述电导率波形图和吸收系数波形图进行分析，确定待测蛋白的掺杂效应及特征谱参数。
8.根据权利要求6所述的基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的系统，其特征在于，所述基底材料为高阻硅、石英或蓝宝石中的一种。
9.根据权利要求6所述的基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的系统，其特征在于，所述红外激光为波长为808nm或1064nm的连续光；所述红外激光的功率为0-450mW。
10.根据权利要求6所述的基于太赫兹波检测石墨烯膜上蛋白分子的系统，其特征在于，计算模块具体包括：
电导率计算单元，用于通过公式：计算涂有待测蛋白的石墨烯膜的电导率，其中，为待求的石墨烯膜电导率，所述为标准化透射率，所述和分别为待测蛋白和参考样品的时域信号经傅里叶变换后得到的频域信号；所述 分别为蛋白层和硅片的折射率，η0为真空波阻抗，d为蛋白层的厚度，为太赫兹波在蛋白层中的传播系数，FP(ω)为法布里-帕罗因子；
吸收系数计算单元，用于通过公式计算涂有待测蛋白的石墨烯膜的吸收系数，其中，α(ω)为吸收系数，n″p(ω)为折射率的虚部，λ为太赫兹波波长。
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