CN113406154B - 一种三维水凝胶-石墨烯基生物传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种三维水凝胶‑石墨烯基生物传感器及其制备方法，属于生物传感器技术领域。本发明提供的三维水凝胶‑石墨烯基生物传感器，包括依次叠层设置的基底、电极层、石墨烯薄膜以及三维水凝胶材料层；所述三维水凝胶材料层由具有三维网状结构的水凝胶材料形成，所述水凝胶材料由包括丙烯酰胺单体和修饰探针分子的原料经聚合反应得到，所述修饰探针分子为修饰有丙烯酰胺基团的探针分子。本发明提供的三维水凝胶‑石墨烯基生物传感器稳定性好且灵敏度高。

Description

一种三维水凝胶-石墨烯基生物传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物传感器技术领域，尤其涉及一种三维水凝胶-石墨烯基生物传感器及其制备方法。
背景技术
石墨烯基电学传感器具有响应速度快和灵敏度高的优势，配合核酸适配体、抗体和酶等可以高特异性识别目标物质的探针分子使用，形成石墨烯基纳米生物传感器，在疾病标志物检测领域具有重要应用价值。
现有研究报道的石墨烯基纳米生物传感器均为表面亲和型传感器(DOI:10.1021/acsami.7b07684)，即探针分子通过含有芳香环结构的链接分子锚固在石墨烯表面，被探针分子识别抓取到的待测溶液中带微弱电量的标志物分子在“静电感应”作用下，会对石墨烯内部单位截面积内可移动载流子数量产生影响，通过测量可移动载流子数量的变化，即石墨烯电导率的变化(石墨烯两端电流的变化)，便可以确定标志物分子浓度变化。采用这种表面型传感器进行检测的整个过程中，石墨烯表面始终暴露在待测溶液中，而实际生物溶液样本，如血液、汗液以及唾液等，含有许多非目标生物大分子或杂质，它们容易在石墨烯表面形成生物淤积，影响传感器的稳定性以及灵敏度，甚至会导致传感器失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维水凝胶-石墨烯基生物传感器及其制备方法，本发明提供的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器稳定性好且灵敏度高。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种三维水凝胶-石墨烯基生物传感器，包括依次叠层设置的基底、电极层、石墨烯薄膜以及三维水凝胶材料层；所述三维水凝胶材料层由具有三维网状结构的水凝胶材料形成，所述水凝胶材料由包括丙烯酰胺单体和修饰探针分子的原料经聚合反应得到，所述修饰探针分子为修饰有丙烯酰胺基团的探针分子。
优选地，所述水凝胶材料的孔径为1.8～2.2μm。
优选地，所述三维水凝胶材料层的厚度为0.63～2.35mm。
优选地，所述丙烯酰胺单体包括丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺，所述丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺的质量比为(45～55)：1。
优选地，所述丙烯酰胺单体的质量与修饰探针分子的摩尔比为(5～20)g：1μmol。
优选地，所述探针分子为核酸适配体。
优选地，所述石墨烯薄膜由单层石墨烯形成。
优选地，所述电极层包括平行设置的两个电极，所述石墨烯薄膜设置在两个电极的表面以及裸露的基底的表面。
本发明提供了上述技术方案所述三维水凝胶-石墨烯基生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
在基底的单面制备电极层，得到基底-电极层器件；
在所述基底-电极层器件中电极层的表面设置石墨烯薄膜，得到基底-电极层-石墨烯薄膜器件；
将反应溶液在所述基底-电极层-石墨烯薄膜器件中石墨烯薄膜的表面进行原位聚合反应，在所述石墨烯薄膜的表面形成三维水凝胶材料层，得到三维水凝胶-石墨烯基生物传感器；所述反应溶液中含有丙烯酰胺单体、修饰探针分子、引发剂、硝酸钠和溶剂。
优选地，在所述基底-电极层器件中电极层的表面设置石墨烯薄膜的方法包括：
提供石墨烯薄膜，采用湿转移法将所述石墨烯薄膜转移至电极层的表面。
本发明提供了一种三维水凝胶-石墨烯基生物传感器，包括依次叠层设置的基底、电极层、石墨烯薄膜以及三维水凝胶材料层；所述三维水凝胶材料层由具有三维网状结构的水凝胶材料形成，所述水凝胶材料由包括丙烯酰胺单体和修饰探针分子的原料经聚合反应得到，所述修饰探针分子为修饰有丙烯酰胺基团的探针分子。
本发明提供的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器中，石墨烯薄膜为导电通道，水凝胶材料具有三维网状结构，使得待测溶液中的目标分子可以通过其网孔与探针分子结合；同时，采用所述三维水凝胶-石墨烯基生物传感器对实际生物溶液样本进行测定时，整个水凝胶-探针结构在石墨烯导电通道表面形成双电层，当探针分子捕捉到目标分子后，整个双电层的电容会随捕捉到的目标分子浓度的变化产生相应的变化，使得石墨烯内部的自由移动的电子数量发生变化，从而使石墨烯的电导率发生变化，即石墨烯转移特性曲线和狄拉克(Dirac)点会随不同浓度的目标分子产生平移，从而产生检测信号。由于本发明中水凝胶材料具有纳米级的三维网状结构，如同在石墨烯薄膜表面形成一张过滤网，可以有效地将实际生物溶液样本中的大分子物质或杂质阻挡在水凝胶材料外部，实现待测溶液中非目标分子与石墨烯导电通道的隔离，防止石墨烯薄膜表面形成生物淤积，同时使得目标小分子随溶液通过水凝胶材料中相互连通的网孔贴近石墨烯薄膜表面，从而有效地实现检测，且有利于提高传感器的稳定性以及灵敏度。
进一步地，本发明通过调节三维水凝胶材料层的厚度，可以调节被抓取的带电目标分子等效电荷中心与石墨烯薄膜之间的距离，从而影响“静电感应作用”，进而调节传感器的灵敏度，最终实现目标分子检测范围的调节。实施例的结果显示，目标分子为心肌肌钙蛋白I(cTn I)时，三维水凝胶材料层厚度为0.63～2.35mm的传感器，目标分子检测范围为5aM～50nM。
本发明提供了所述三维水凝胶-石墨烯基生物传感器的制备方法，包括以下步骤：在基底的单面制备电极层，得到基底-电极层器件；在所述基底-电极层器件中电极层的表面设置石墨烯薄膜，得到基底-电极层-石墨烯薄膜器件；将反应溶液在所述基底-电极层-石墨烯薄膜器件中石墨烯薄膜的表面进行原位聚合反应，在所述石墨烯薄膜的表面形成三维水凝胶材料层，得到三维水凝胶-石墨烯基生物传感器；所述反应溶液中含有丙烯酰胺单体、修饰探针分子、引发剂、硝酸钠和溶剂。采用本发明提供的方法制备的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器中，水凝胶材料层与石墨烯薄膜之间是通过分子间作用力接触固定到一起的，而且不同于传统的表面型传感器的探针分子修饰方法，本发明提供的传感器中探针分子是修饰固定在水凝胶材料中，因此当传感器使用后，可人为将水凝胶材料撕掉(在撕掉水凝胶材料时，石墨烯薄膜并不会被带下来，因为石墨烯薄膜在基底上的附着主要靠分子间作用力，这一作用力要远大于石墨烯薄膜与水凝胶材料之间的结合力)，不会在石墨烯薄膜表面留下使用痕迹，便于通过再次制备水凝胶材料层以实现传感器的再次使用；而且由于再次加工后，前后两次使用的的敏感材料石墨烯薄膜没有发生更换(石墨烯由于生产批次不同和加工过程中人为干扰，不同器件之间电学信号存在差异，不便于标定)，因此传感器电信号没有发生改变，从而便于传感器的标定。
附图说明
图1为本发明提供的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器的结构示意图；
图2为本发明中采用湿转移法将石墨烯薄膜转移至电极层表面的流程图；
图3为实施例1制备的水凝胶材料的照片以及光学显微镜图；
图4为实施例1制备的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器在未稀释血清中的检测信号图；
图5为实施例1制备的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器在未稀释血液中的检测信号图；
图6为基于三维水凝胶-石墨烯基生物传感器在未稀释血清、未稀释血液以及PBS缓冲液中的检测信号所得希尔方程拟合曲线；
图7为将实施例1制备的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器在室温环境中放置不同时间后的检测信号图；
图8为将实施例1制备的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器在不同温度条件下放置1h后的检测信号图；
图9为不同三维水凝胶材料层厚度的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器的检测信号图。
具体实施方式
本发明提供了一种三维水凝胶-石墨烯基生物传感器，包括依次叠层设置的基底、电极层、石墨烯薄膜以及三维水凝胶材料层；所述三维水凝胶材料层由具有三维网状结构的水凝胶材料形成，所述水凝胶材料由包括丙烯酰胺单体和修饰探针分子的原料经聚合反应得到，所述修饰探针分子为修饰有丙烯酰胺基团的探针分子。
本发明提供的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器包括基底。本发明对所述基底没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的基底均可，具体可以为柔性基底，也可以为刚性基底。在本发明的实施例中，所述基底优选为表面镀有SiO2层的硅片，所述SiO2层的厚度优选为285nm，所述基底的总厚度优选为500μm。
本发明提供的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器包括叠层设置在所述基底单面的电极层。在本发明的实施例中，以表面镀有SiO2层的硅片为基底，所述电极层具体是设置在所述SiO2层的表面。在本发明中，所述电极层优选包括平行设置的两个电极，具体的，所述电极设置在所述基底相对的两端。在本发明中，所述电极优选为金属电极，更优选为金/铬复合导电电极，所述金/铬复合导电电极具体包括叠层设置的铬层和金层，所述铬层的厚度优选为2nm，所述金层的厚度优选为43nm；具体是将金/铬复合导电电极的铬层与基底接触。
本发明提供的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器包括叠层设置在所述电极层表面的石墨烯薄膜。在本发明中，当所述电极层包括平行设置的两个电极时，所述石墨烯薄膜具体是设置在两个电极的表面以及裸露的基底的表面。在本发明中，所述石墨烯薄膜优选由单层石墨烯形成。
本发明提供的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器包括叠层设置在所述石墨烯薄膜表面的三维水凝胶材料层，所述三维水凝胶材料层由具有三维网状结构的水凝胶材料形成，所述水凝胶材料由包括丙烯酰胺单体和修饰探针分子的原料经聚合反应得到，所述修饰探针分子为修饰有丙烯酰胺基团的探针分子。在本发明中，所述水凝胶材料的孔径优选为1.8～2.2μm，更优选为2μm。在本发明中，所述三维水凝胶材料层的厚度优选为0.63～2.35mm。在本发明中，所述丙烯酰胺单体优选包括丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺，所述丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺的质量比优选为(45～55)：1，更优选为49：1。在本发明中，所述丙烯酰胺单体的质量与修饰探针分子的摩尔比优选为(5～20)g：1μmol，更优选为(8～12)g：1μmol。在本发明中，所述探针分子优选为核酸适配体，更优选为5端含有丙烯酰胺基团的单链DNA或5端含有丙烯酰胺基团的RNA。
本发明提供了上述技术方案所述三维水凝胶-石墨烯基生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
在基底的单面制备电极层，得到基底-电极层器件；
在所述基底-电极层器件中电极层的表面设置石墨烯薄膜，得到基底-电极层-石墨烯薄膜器件；
将反应溶液在所述基底-电极层-石墨烯薄膜器件中石墨烯薄膜的表面进行原位聚合反应，在所述石墨烯薄膜的表面形成三维水凝胶材料层，得到三维水凝胶-石墨烯基生物传感器；所述反应溶液中含有丙烯酰胺单体、修饰有丙烯酰胺基团的探针分子、引发剂、硝酸钠和溶剂。
在本发明中，若无特殊说明，所用制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明在基底的单面制备电极层，得到基底-电极层器件。本发明对所述电极层的制备方法没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的方法即可；本发明优选采用电子束蒸发法制备电极层，本发明对所述电子束蒸发法的操作条件没有特殊限定，保证得到满足厚度要求的电极层即可。
得到基底-电极层器件后，本发明在所述基底-电极层器件中电极层的表面设置石墨烯薄膜，得到基底-电极层-石墨烯薄膜器件。在本发明中，在所述基底-电极层器件中电极层的表面设置石墨烯薄膜的方法优选包括：
提供石墨烯薄膜，采用湿转移法将所述石墨烯薄膜转移至电极层的表面。
在本发明中，所述石墨烯薄膜优选为采用化学气相沉积法制备得到的石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜优选沉积于铜箔的表面，即铜箔的正面和背面均沉积有石墨烯薄膜，且在附着有石墨烯薄膜的铜箔的单面(记为正面)设置有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)保护层；在本发明的实施例中，该含有石墨烯薄膜以及PMMA保护层的铜箔(简称为复合材料)为市售商品。
图2为本发明实施例中采用湿转移法将石墨烯薄膜转移至电极层表面的流程图，下面结合图2对所述湿转移法进行详细说明。在本发明中，所述湿转移法的具体操作步骤优选包括：将所述复合材料剪裁成尺寸为3×3mm2的正方形，利用氧离子刻蚀技术将铜箔背面的石墨烯薄膜去掉，然后将铜箔正面朝上(即具有PMMA保护层的一面朝上)，使其漂浮在浓度为4wt％的APS100铜刻蚀液中，静置3h，铜箔被完全刻蚀掉，得到石墨烯薄膜-PMMA保护层材料漂浮在APS 100铜刻蚀液表面；使用盖玻片将其捞取出来，并放入盛有去离子水的培养皿中，使石墨烯薄膜-PMMA保护层材料的石墨烯薄膜与去离子水接触，静置15min，去除石墨烯薄膜上残留的APS 100铜刻蚀液，以此记为1个洗涤步骤，重复进行洗涤步骤2～3次，以保证充分去除石墨烯薄膜表面残留的杂质，避免水分蒸发后石墨烯薄膜与电极之间会夹杂有析出的结晶颗粒；洗涤完成后，将基底-电极层器件浸入培养皿中，将漂浮在去离子水中的石墨烯薄膜对准电极的中心后，将石墨烯薄膜-PMMA保护层材料捞起，待自然晾干后，放入真空箱中，在25℃条件下真空干燥5h，之后放置于180℃的热板上加热1h，使PMMA保护层软化，进而使石墨烯薄膜与基底以及电极之间的接触更加牢固；之后将所得器件在丙酮中浸泡1h，使石墨烯薄膜表面的PMMA保护层完全去除，随后依次使用异丙醇(IPA)、去离子水冲洗，氮气吹干，得到基底-电极层-石墨烯薄膜器件。
得到基底-电极层-石墨烯薄膜器件后，本发明将反应溶液在所述基底-电极层-石墨烯薄膜器件中石墨烯薄膜的表面进行原位聚合反应，在所述石墨烯薄膜的表面形成三维水凝胶材料层，得到三维水凝胶-石墨烯基生物传感器。在本发明中，所述反应溶液中含有丙烯酰胺单体、修饰探针分子、引发剂、硝酸钠和溶剂。在本发明中，所述引发剂优选为过硫酸铵(APS)和四甲基乙二胺(TEMED)，所述过硫酸铵和四甲基乙二胺的用量比优选为2mg：(0.8～1.2)μL，更优选为2mg：1μL。在本发明中，所述反应溶液优选由原始胶溶液、修饰探针分子溶液以及引发剂溶液混合得到。在本发明中，所述原始胶溶液中丙烯酰胺单体的质量分数优选为10～20wt％，更优选为14～17wt％，进一步优选为15～16wt％。在本发明中，所述原始胶溶液优选由丙烯酰胺单体母液经硝酸钠溶液稀释得到，所述丙烯酰胺单体母液中丙烯酰胺单体的质量分数优选为35～45wt％，更优选为38～42wt％，进一步优选为39～40wt％，所述丙烯酰胺单体母液中的溶剂优选为水；所述硝酸钠溶液中硝酸钠的浓度优选为1.8～2.2mol/L，更优选为2mol/L，所述硝酸钠溶液中的溶剂优选为Tris-HNO3缓冲液，所述Tris-HNO3缓冲液的浓度优选为0.5mol/L，pH值优选为8。在本发明中，所述修饰探针分子溶液的浓度优选为8～12μM，更优选为10μM；所述修饰探针分子溶液的溶剂优选为磷酸盐缓冲液(PBS缓冲液)，所述PBS缓冲液的pH值优选为7.4。在本发明中，所述引发剂溶液中过硫酸铵的浓度优选为0.08～0.12mg/μL，更优选为0.10mg/μL；所述引发剂溶液的溶剂优选为水。在本发明中，所述反应溶液中原始胶溶液、修饰探针分子溶液以及引发剂溶液的体积比优选为20：(25～35)：(3～5)，更优选为20：30：4。本发明优选先将原始胶溶液与修饰探针分子溶液混合，之后将所得混合料液与引发剂溶液混合。
本发明优选在所述基底-电极层-石墨烯薄膜器件中石墨烯薄膜的表面放置无底的反应容器，以所述基底-电极层-石墨烯薄膜器件以及反应容器作为模具，制备得到水凝胶材料，从而在基底-电极层-石墨烯薄膜器件中石墨烯薄膜的表面形成三维水凝胶材料层。本发明对所述反应容器的形状以及尺寸没有特殊限定，根据三维水凝胶材料层的形状以及尺寸选择即可；在本发明的实施例中，具体采用直径为5mm的反应容器。在本发明中，所述反应容器的材质优选为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
本发明优选在所述基底-电极层-石墨烯薄膜器件中石墨烯薄膜的表面放置无底的反应容器且配制好反应溶液后，将所述反应溶液置于所述反应容器中进行原位聚合反应，在所述石墨烯薄膜的表面形成三维水凝胶材料层，得到三维水凝胶-石墨烯基生物传感器。本发明对所述反应溶液的用量没有特殊限定，根据实际所需三维水凝胶材料层的尺寸选择即可。在本发明中，所述原位聚合反应优选在室温条件下进行，即不需要额外的加热或降温；在本发明的实施例中，所述室温具体为25℃；所述原位聚合反应的时间优选为10～20min，更优选为15min。在本发明中，所述原位聚合反应优选在静置条件下进行。在本发明中，所述原位聚合反应过程中，在引发剂作用下，丙烯酰胺单体以及修饰探针分子通过自由基聚合反应在石墨烯薄膜表面形成三维水凝胶材料。
在本发明中，所述原位聚合反应后，去除所述反应容器，即可得到三维水凝胶-石墨烯基生物传感器。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图1为本实施例中三维水凝胶-石墨烯基生物传感器的结构示意图，本实施例中三维水凝胶-石墨烯基生物传感器包括依次叠层设置的基底、电极层、石墨烯薄膜以及三维水凝胶材料层；所述基底为表面镀有SiO2层的硅片，所述基底的总厚度为500μm，所述SiO2层的厚度为285nm；所述电极层包括平行设置的两个电极，所述电极金/铬复合导电电极，所述金/铬复合导电电极包括叠层设置的铬层和金层，所述铬层的厚度为2nm，所述金层的厚度为43nm，具体是将金/铬复合导电电极的铬层与基底接触；所述石墨烯薄膜由单层石墨烯形成；所述三维水凝胶材料层由具有三维网状结构的水凝胶材料形成，所述水凝胶材料由包括丙烯酰胺单体和修饰探针分子的原料经聚合反应得到，所述修饰探针分子为修饰有丙烯酰胺基团的探针分子，所述三维水凝胶材料层的厚度为1.4mm；其中，所述基底上SiO2层相对的两端分别设置有所述电极，所述石墨烯薄膜设置在两个电极的表面以及裸露的基底的表面。
所述三维水凝胶-石墨烯基生物传感器的制备方法包括以下步骤：
以表面镀有SiO2层的硅片(市售商品)为基底，采用电子束蒸发法在所述SiO2层上相对的两端制备金/铬复合导电电极，得到基底-电极层器件；
采用湿转移法将石墨烯薄膜转移至电极层的表面，其中，石墨烯薄膜基于化学气相沉积(CVD)法沉积于铜箔的正面和背面，且在附着有石墨烯薄膜的铜箔的正面设置有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)保护层(该含有石墨烯薄膜的复合材料为市售商品)，所述湿转移法的具体操作步骤为：将复合材料剪裁成尺寸为3×3mm2的正方形，利用氧离子刻蚀技术将铜箔背面的石墨烯薄膜去掉，然后将铜箔正面朝上(即具有PMMA保护层的一面朝上)，使其漂浮在浓度为4wt％的APS 100铜刻蚀液中，静置3h，铜箔被完全刻蚀掉，得到石墨烯薄膜-PMMA保护层材料漂浮在APS 100铜刻蚀液表面；使用盖玻片将其捞取出来，并放入盛有去离子水的培养皿中，使石墨烯薄膜-PMMA保护层材料的石墨烯薄膜与去离子水接触，静置15min，去除石墨烯薄膜上残留的APS 100铜刻蚀液，以此记为1个洗涤步骤，重复进行洗涤步骤3次，以保证充分去除石墨烯薄膜表面残留的杂质，避免水分蒸发后石墨烯薄膜与电极之间会夹杂有析出的结晶颗粒；洗涤完成后，将基底-电极层器件浸入培养皿中，将漂浮在去离子水中的石墨烯薄膜对准电极的中心后，将石墨烯薄膜-PMMA保护层材料捞起，待自然晾干后，放入真空箱中，在25℃条件下真空干燥5h，之后放置于180℃的热板上加热1h，使PMMA保护层软化，进而使石墨烯薄膜与基底以及电极之间的接触更加牢固；之后将所得器件在丙酮中浸泡1h，使石墨烯薄膜表面的PMMA保护层完全去除，随后依次使用异丙醇(IPA)、去离子水冲洗，氮气吹干，得到基底-电极层-石墨烯薄膜器件；
将三羟甲基氨基甲烷(Tris)与硝酸(HNO3)用去离子水配制成浓度为0.5M、pH值为8的Tris-HNO3缓冲液；将丙烯酰胺(Acrylamide)和甲叉双丙烯酰胺(Bis-acrylamide)溶于水中，得到混合单体溶液，所述混合单体溶液中丙烯酰胺与甲叉双丙烯酰胺的质量比为49:1，所述混合单体溶液中丙烯酰胺与甲叉双丙烯酰胺的总浓度为40wt％；将所述Tris-HNO3缓冲液与硝酸钠混合，得到硝酸钠浓度为2M的硝酸钠溶液，采用所述硝酸钠溶液将所述混合单体溶液中丙烯酰胺与甲叉双丙烯酰胺的总浓度稀释至16wt％，得到原始胶溶液；将50mg过硫酸铵(APS)和25μL四甲基乙二胺(TEMED)溶于500μL去离子水中，得到引发剂溶液；将20μL原始胶溶液与30μL浓度为10μM的核酸适配体溶液(溶剂为PBS缓冲液，pH值为7.4)在离心管中混合均匀，其中核酸适配体为5端含有丙烯酰胺基团的单链DNA(购买于上海生工公司)；取4μL引发剂溶液加入所述离心管中，将其与原始胶溶液以及核酸适配体溶液混合均匀，得到反应溶液；将直径为5mm的聚二甲基硅氧烷(PDMS)井固定放置在基底-电极层-石墨烯薄膜器件中石墨烯薄膜的表面，作为反应容器；将所述反应溶液加入至所述PDMS井中，室温(25℃)条件下静置反应15min，丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺以及核酸适配体通过自由基聚合反应在石墨烯薄膜表面形成水凝胶材料层，去除所述PDMS井，得到三维水凝胶-石墨烯基生物传感器。
图3为实施例1制备的水凝胶材料的照片以及光学显微镜图，其中，图3中的(a)为水凝胶材料的照片(标尺为200μm)，(b)为水凝胶材料的光学显微镜图(标尺为50μm)。由图3可知，本发明制备的水凝胶材料具有多孔结构，孔径为2μm左右。
实施例2～9
参照实施例1的方法制备三维水凝胶-石墨烯基生物传感器，不同之处在于三维水凝胶材料层的厚度分别为0.63mm、0.78mm、1.05mm、1.27mm、1.6mm、1.73mm、1.96mm和2.35mm。
测试例
对本发明中三维水凝胶-石墨烯基生物传感器进行性能测试，具体如下：
1、使用未稀释灭菌兔血配制cTnI蛋白溶液(由于未稀释灭菌兔血的粘稠度较高且较容易凝固，在配制每一个浓度的cTnI蛋白溶液的时候尽可能迅速的使蛋白质在血液中均匀分散，但是严禁在配制过程中使用振荡器，以免蛋白质失活和血细胞破碎)，浓度分别为100a、500aM、1fM、5fM、20fM、100fM、500fM、2pM、10pM、50pM、250pM和1000pM，储存在4℃的环境中待用。每隔8min利用移液枪依次向实施例1制备的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器中水凝胶材料层的表面滴加各浓度cTnI蛋白溶液40μL，并使用两台Keithley2400单通道电源工作站分别提供漏源电压与栅极电压，对石墨烯转移特性曲线分别进行测量；按照上述方法，采用未稀释灭菌兔血的血清配制cTnI蛋白溶液，然后按照上述方法对石墨烯转移特性曲线分别进行测量；并以含有cTnI蛋白的PBS缓冲液作为对照。
结果显示，随着未稀释血液中cTnI蛋白浓度不断增加，Dirac点向x轴负方向移动了61mV，与在PBS缓冲液中测得的Dirac点向x轴负方向移动64mV相比，变化率小于5％，这一结果说明本发明提供的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器在未稀释血液中可准确地识别到目标分子并产生响应信号。
图4为实施例1制备的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器在未稀释血清中的检测信号图，图5为实施例1制备的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器在未稀释血液中的检测信号图，图6为基于三维水凝胶-石墨烯基生物传感器在未稀释血清、未稀释血液以及PBS缓冲液中的检测信号所得希尔方程拟合曲线。根据图6中拟合曲线，计算得到三维水凝胶-石墨烯基生物传感器与未稀释血液中cTnI蛋白之间KD的大小为426fM，与KD在PBS缓冲液中测得的值437fM和在未稀释血清中测得值398fM相比，变化率分别小于3％和7％；同时还计算得到三维水凝胶-石墨烯基生物传感器在未稀释血液中的最小极限浓度为13.9aM，这一数据即使与之前报道的在PBS缓冲液中检测cTnI蛋白的传感器相比，也表现出了明显的提升，传感器的检测极限降低了几倍至几十倍，具体对比数据如表1所示。
表1实施例1制备的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器与其他传感平台对cTnI蛋白检测情况比较数据
Figure BDA0003119915540000121
注：表1中[1]Jo H,Gu H,Jeon W,et al.Electrochemical Aptasensor ofCardiac Troponin I for the Early Diagnosis of Acute Myocardial Infarction[J].Analytical Chemistry,2015,87(19):9869-9875。
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[3]Ko S,Kim B,Jo S-S,et al.Electrochemical detection ofcardiactroponin I using a microchip with the surface-functionalized poly(dimethylsiloxane)channel[J].Biosensors&Bioelectronics,2007,23(1):51-59。
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2、将实施例1制备的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器在室温环境中放置不同时间，之后检测信号(目标分子为cTn I)。图7为将实施例1制备的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器在室温环境中放置不同时间后的检测信号图，图7中的(a)为放置1天后的检测信号图，(b)为放置4天后的检测信号图，(c)为放置7天后的检测信号图，(d)为基于维水凝胶-石墨烯基生物传感器在室温环境中放置不同时间后检测信号所得希尔方程拟合曲线。结果显示，在室温环境中存放1天后的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器的转移特性曲线明显地向X轴的负方向移动，ΔVDirac的值明显减少58mV。在室温环境中存放4和7天的传三维水凝胶-石墨烯基生物传感器的转移特性曲线显示出了一致的变化趋势，VDirac分别从0.055V移动到0.004V以及从0.102V移动到0.046V，与加工后立刻使用的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器的响应信号ΔVDirac＝64mV进行对比，变化率分别为8％和12.5％。这说明本发明提供的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器稳定性较好，室温环境中长时间放置也不会对所述三维水凝胶-石墨烯基生物传感器的性能造成明显的衰减影响。
3、将实施例1制备的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器在室温、40℃、60℃以及80℃条件下放置1h，之后检测信号(目标分子为cTn I)。图8为将实施例1制备的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器在不同温度条件下放置1h后的检测信号图。结果显示，本发明提供的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器耐高温性能好，80℃条件下检测信号仍然保持稳定。
4、检测实施例1～9制备的不同三维水凝胶材料层厚度的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器(三维水凝胶材料层的厚度分别为0.63mm、0.78mm、1.05mm、1.27mm、1.4mm、1.6mm、1.73mm、1.96mm和2.35mm)的信号(目标分子为cTn I)。图9为不同三维水凝胶材料层厚度的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器的检测信号图，其中，(a)为信号增益Dirac点变化量与三维水凝胶材料层厚度的关系图，(b)为检测极限与三维水凝胶材料层厚度的关系图。结果显示，本发明通过调节三维水凝胶材料层的厚度，可以调节被抓取的带电目标分子等效电荷中心与石墨烯薄膜之间的距离，从而影响“静电感应作用”，进而调节传感器的灵敏度，最终实现目标分子检测范围的调节。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种三维水凝胶-石墨烯基生物传感器，包括依次叠层设置的基底、电极层、石墨烯薄膜以及三维水凝胶材料层；所述三维水凝胶材料层由具有三维网状结构的水凝胶材料形成，所述水凝胶材料由包括丙烯酰胺单体和修饰探针分子的原料经聚合反应得到，所述修饰探针分子为修饰有丙烯酰胺基团的探针分子；所述三维水凝胶材料层的厚度为0.63～2.35mm。
2.根据权利要求1所述的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器，其特征在于，所述水凝胶材料的孔径为1.8～2.2μm。
3.根据权利要求1所述的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器，其特征在于，所述丙烯酰胺单体包括丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺，所述丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺的质量比为(45～55)：1。
4.根据权利要求1或3所述的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器，其特征在于，所述丙烯酰胺单体的质量与修饰探针分子的摩尔比为(5～20)g：1μmol。
5.根据权利要求1所述的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器，其特征在于，所述探针分子为核酸适配体。
6.根据权利要求1所述的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器，其特征在于，所述石墨烯薄膜由单层石墨烯形成。
7.根据权利要求1所述的三维水凝胶-石墨烯基生物传感器，其特征在于，所述电极层包括平行设置的两个电极，所述石墨烯薄膜设置在两个电极的表面以及裸露的基底的表面。
8.权利要求1～7任一项所述三维水凝胶-石墨烯基生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
在基底的单面制备电极层，得到基底-电极层器件；
在所述基底-电极层器件中电极层的表面设置石墨烯薄膜，得到基底-电极层-石墨烯薄膜器件；
将反应溶液在所述基底-电极层-石墨烯薄膜器件中石墨烯薄膜的表面进行原位聚合反应，在所述石墨烯薄膜的表面形成三维水凝胶材料层，得到三维水凝胶-石墨烯基生物传感器；所述反应溶液中含有丙烯酰胺单体、修饰探针分子、引发剂、硝酸钠和溶剂。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述基底-电极层器件中电极层的表面设置石墨烯薄膜的方法包括：
提供石墨烯薄膜，采用湿转移法将所述石墨烯薄膜转移至电极层的表面。
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