CN115389586A - 一种石墨烯生物传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种石墨烯生物传感器及其制备方法，涉及医疗器械领域。石墨烯生物传感器的制备方法包括以下步骤：以表面具有石墨烯层的基材为对象，将生物分子溶液滴液至石墨烯层表面的特定位点进行功能化，在石墨烯层表面形成分散布置的功能化层，得到功能化石墨烯复合层；将功能化石墨烯复合层中的基材替换成具有金属电极的目标基底，再刻蚀去除石墨烯层未设置功能化层的区域。石墨烯生物传感器的制备方法通过先将生物分子溶液定点滴液到石墨烯表面完成功能化，再制备成石墨烯传感器，避免了石墨烯转移时受到污染后降低功能化的成功率，也节省了生物分子剂量，能够高效的制备出石墨烯生物传感器。

Description

一种石墨烯生物传感器及其制备方法
技术领域
本申请涉及医疗器械领域，具体而言，涉及一种石墨烯生物传感器及其制备方法。
背景技术
随着新冠的爆发，越来越多检测技术涌现，石墨烯生物传感器作为其中一种有效手段，由于其高灵敏度，快速的特点，受到了广泛的关注。
石墨烯生物传感器的好坏主要取决于两点，一是石墨烯的质量，二是功能化的成功率。目前石墨烯生物传感器的常规制备方法是先利用石墨烯制成石墨烯传感器，再对石墨烯传感器进行功能化，比如将石墨烯传感器浸泡在盛放有功能化所需原料溶液的培养皿中进行功能化处理。
由于石墨烯制备成传感器的过程很容易被污染，而被污染的石墨烯功能化的成功率往往不高；另外由于培养皿浸泡的方式需要用到大量功能化所需溶液，会造成功能化所需原料的浪费。
为了提高石墨烯生物传感器的质量，探索一种方法以提高功能化的成功率是很有必要的。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种石墨烯生物传感器及其制备方法，通过先将生物分子溶液定点滴液到石墨烯表面完成功能化，再制备成石墨烯传感器，避免了石墨烯转移时受到污染后降低功能化的成功率，也节省了生物分子剂量，能够高效的制备出石墨烯生物传感器。
第一方面，本申请实施例提供了一种石墨烯生物传感器的制备方法，其包括以下步骤：
以表面具有石墨烯层的基材为对象，将生物分子溶液滴液至石墨烯层表面的特定位点进行功能化，在石墨烯层表面形成分散布置的功能化层，得到功能化石墨烯复合层；
将功能化石墨烯复合层中的基材替换成具有金属电极的目标基底，再刻蚀去除石墨烯层未设置功能化层的区域。
在上述技术方案中，通过先将生物分子溶液定点滴液到石墨烯表面完成功能化，再制备成石墨烯传感器，在石墨烯层转移至目标基底之前先进行功能化，因为未转移前的石墨烯最纯净，这个时候进行功能化效果最佳，避免了石墨烯转移时受到污染后降低功能化的成功率。而且在进行功能化时，采用定点滴液的方法，避免了传统浸泡方法浪费生物分子的情况，节约成本。
在一种可能的实现方式中，功能化层含有抗体和1-芘丁酸N羟基琥珀酰亚胺酯，1-芘丁酸N羟基琥珀酰亚胺酯用于连接抗体和石墨烯。
在上述技术方案中，通过1-芘丁酸N羟基琥珀酰亚胺酯提高石墨烯和抗体生物分子之间的结合性。
在一种可能的实现方式中，功能化层的形成方法为：
将PBASE(1-芘丁酸N羟基琥珀酰亚胺酯)溶液滴液至石墨烯层表面的特定位点进行第一次功能化，清洗；
然后把抗体溶液滴液至特定位点进行第二次功能化，清洗。
在上述技术方案中，先在石墨烯层上的特定位点布置PBASE(1-芘丁酸N羟基琥珀酰亚胺酯)，再在已经有PBASE的区域上布置抗体，利用PBASE连接抗体和石墨烯，从而实现抗体固定于石墨烯层完成功能化。
在一种可能的实现方式中，PBASE溶液的浓度为1～3mmol/L，每个特定位点的PBASE溶液滴液量为4～6μL；
和/或，抗体溶液的浓度为15-50μg/mL，每个特定位点的抗体溶液滴液量为4～6μL。
在一种可能的实现方式中，第一次功能化的时间为1～3小时，第二次功能化的时间为10～15小时。
在一种可能的实现方式中，采用排枪进行滴液操作。
在上述技术方案中，能够批量完成滴液操作，而且实现定点滴液，节约原料和成本。
在一种可能的实现方式中，将基材替换成目标基底的方法为：先腐蚀去除基材，再将具有功能化层的石墨烯层转移至目标基底上。
在一种可能的实现方式中，基材为铜箔，采用过硫酸铵溶液腐蚀去除铜箔。
在一种可能的实现方式中，表面具有石墨烯层的基材的制备方法是在基材的表面沉积形成石墨烯层。
第二方面，本申请实施例提供了一种石墨烯生物传感器，其采用第一方面提供的石墨烯生物传感器的制备方法制得。
在上述技术方案中，石墨烯生物传感器的功能化成功率高，性能好。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种石墨烯生物传感器的制备方法的示意图；
图2为一种执行图1中步骤S2的滴液示意图；
图3为实施例1中特定位点及栅线的设置示意图；
图4为实施例4在定点功能化和对比例1在常规功能化时的对比照片；
图5为实施例4和对比例2在定点功能化时的对比照片；
图6为实施例1的石墨烯生物传感器的电学图；
图7为对比例2的石墨烯生物传感器的电学图。
图标：1-基材；2-石墨烯层；3-功能化层；4-目标基底；5-掩膜版。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请实施例的石墨烯生物传感器及其制备方法进行具体说明。
请参看图1，本申请实施例提供了一种石墨烯生物传感器的制备方法，其包括以下步骤：
S1、在基材1的表面沉积形成石墨烯层2，获得表面具有石墨烯层2的基材1。一般是以铜箔作为基材1，铜箔的规格可以为2*2cm，也可以为3*3或者4*4cm，通过CVD法在铜箔的单面生长形成石墨烯层2。
S2、以表面具有石墨烯层2的基材1为对象，将生物分子溶液滴液至石墨烯层2表面的特定位点进行功能化，在石墨烯层2表面形成分散布置的功能化层3，功能化层3含有抗体和1-芘丁酸N羟基琥珀酰亚胺酯，通过1-芘丁酸N羟基琥珀酰亚胺酯连接抗体和石墨烯，得到功能化石墨烯复合层。
作为一种实施方式，功能化层3的形成方法为：
将PBASE溶液滴液至石墨烯层2表面的特定位点静置进行第一次功能化，PBASE溶液的浓度可以为1～3mmol/L，每个特定位点的PBASE溶液滴液量可以为4～6μL，第一次功能化(静置)的时间可以为1～3小时，清洗。优选的，PBASE溶液例如可以通过乙醇或者甲醇溶解。
然后把抗体溶液滴液至特定位点已经有PBASE的区域上静置进行第二次功能化，抗体溶液可以是抗体溶解于PBS(phosphate buffered saline，PBS缓冲液)形成的，抗体溶液的浓度可以为15-50μg/mL，每个特定位点的抗体溶液滴液量可以为4～6μL，第二次功能化(静置)的时间可以为10～15小时，清洗。
请参看图2，本申请实施例是采用排枪进行滴液操作，还可以采用注射器进行滴液操作。
S3、腐蚀去除基材1。
作为一种实施方法，基材1为铜箔，采用过硫酸铵溶液腐蚀去除铜箔。具体方法是把功能化石墨烯复合层放入过硫酸铵溶液中，腐蚀掉铜箔后，把剩下的具有功能化层3的石墨烯层2(结合在一起的功能化层3+石墨烯层2)缓缓从过硫酸铵溶液中捞起。
S4、将具有功能化层3的石墨烯层2转移至目标基底4上，从而实现将S2获得的功能化石墨烯复合层中的基材1替换成具有金属电极的目标基底4。
S5、再刻蚀去除石墨烯层2未设置功能化层3的区域，通常做法是用金属掩膜版5覆盖在功能化层3上作为功能化层3的保护层，而石墨烯层2未设置功能化层3的区域不被保护，从而把不需要的石墨烯层2区域刻蚀掉。
S6、获得石墨烯生物传感器。
本申请实施例提供了一种石墨烯生物传感器，其采用上述提供的石墨烯生物传感器的制备方法制得。本申请实施例的石墨烯生物传感器的结构相较于常规的石墨烯生物传感器无显著变化，但是功能化层的分布方式为定点分散，且成功率更高，因此本申请实施例的石墨烯生物传感器的质量更好，性能更佳。
本申请实施例的石墨烯生物传感器的功能根据抗体的选择不同而发生变化，而传感器的结构、使用方法可以根据需要调整，也可以相同。
示例性的，选择的抗体为新冠病毒抗体，对应形成的石墨烯生物传感器就可用作快速，高灵敏度检测新冠病毒的生物传感器；
选择的抗体为非洲猪瘟抗体，对应形成的石墨烯生物传感器就可用作检测非洲猪瘟的生物传感器；
选择的抗体为艾滋病抗体，则对应形成的石墨烯生物传感器就可用作检测艾滋病的生物传感器。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种石墨烯生物传感器，其制备方式如下：
S1、以单面具有石墨烯层的铜箔(尺寸3*3cm)为对象，采用排枪在石墨烯层表面的每个特定位点滴液5μL、2mmol/L PBASE溶液进行第一次功能化，两小时后用乙醇清洗掉表面多余的PBASE溶液；之后利用注射器在石墨烯表面每个已经有PBASE的特定位点滴液5μL的新冠抗体溶液进行第二次功能化，时间为12小时，用PBS溶液和去离子水清洗，完成石墨烯的定点功能化，最后得到功能化石墨烯复合层(抗体/PBASE/石墨烯/铜箔)。
为了进行功能化，石墨烯层表面区域分为4个区域，每个区域内设置3个特定位点，每个区域内特定位点及栅线的设置示意图如图3所示：
每个需要进行功能化修饰的特定位点的规格为100*100μm，同排的特定位点之间的间距为400μm，栅极大小为500*500μm，特定位点与栅极间距为450μm。
S2、把功能化石墨烯复合层放入过硫酸铵溶液中腐蚀3h，然后缓缓从溶液中捞起，在放入清水中清洗2次，得到具有功能化层的石墨烯层(抗体/PBASE/石墨烯)。
S3、把具有功能化层的石墨烯层转移到已经有金属电极的目标基底上。
S4、用金属掩膜版作为保护层覆盖在石墨烯层具有功能化层的表面，把未设置功能化层的石墨烯区域刻蚀掉，得到石墨烯生物传感器(抗体/PBASE/石墨烯/目标基底)。
实施例2
本实施例提供一种石墨烯生物传感器，其与实施例1的不同之处在于，本实施例中所采用的抗体溶液为非洲猪瘟抗体。
实施例3
本实施例提供一种石墨烯生物传感器，其与实施例1的不同之处在于，本实施例中所采用的抗体溶液为艾滋病抗体。
实施例4
本实施例提供一种石墨烯生物传感器，其与实施例1的不同之处在于，本实施例利用注射器进行滴液操作，设置4个特定位点。
对比例1
本对比例提供一种石墨烯生物传感器，其与实施例1的不同之处在于，本对比例采用常规功能化方式，具体是将具有石墨烯层的铜箔先放入PBASE溶液中进行第一次功能化，而后再放入抗体溶液中进行第二次功能化。
对比例2
本对比例提供一种石墨烯生物传感器，其与实施例1的不同之处在于，本对比例是先转移石墨烯层再进行功能化，具体方式如下：
以单面具有石墨烯层的铜箔为对象，将其放入过硫酸铵溶液中腐蚀3h，然后缓缓从溶液中捞起，在放入清水中清洗2次，得到石墨烯层。
把石墨烯层转移到已经有金属电极的目标基底上。
按照相同的方式在石墨烯层表面进行石墨烯的定点功能化，得到石墨烯功能化复合层。
用金属掩膜版作为保护层覆盖在石墨烯功能化复合层具有功能化层的表面，把未设置功能化层的石墨烯区域刻蚀掉，得到石墨烯生物传感器。
通过对比实施例4和对比例1发现：
如图4所示，左图为对比例1为了制得功能化石墨烯复合层进行传统功能化的实物照片，如果不采用定点滴液的方法，总共需要约200μL的PBASE溶液+抗体溶液才能完成功能化；右图为实施例4为了制得功能化石墨烯复合层进行定点功能化时的实物照片，采用定点滴液后，总共仅需16μL的PBASE溶液+抗体溶液就能完成功能化。
由此可知：采用定点功能化的方法可以减少溶液的浪费。
通过对比实施例4和对比例2发现：
如图5所示，左图为实施例4在未转移的石墨烯层上进行定点功能化的实物照片；右图为对比例2在先转移形成的石墨烯器件上进行定点功能化的实物照片。
图6为实施例1先功能化、再转移所制得的石墨烯生物传感器的电学图；图7为对比例2先转移、再功能化所制得的石墨烯生物传感器电学图。
在实验过程中，图示中的浓度数据是指抗体溶液的浓度，通过吸出原浓度的抗体溶液，再滴加另一浓度的抗体溶液，而且制成器件后再进行电流测试。实施例1的抗体浓度依次为0(PBS)、1fM、10fM、100fM、1pM、10pM、100pM、1nM、10nM、100nM，对比例2的抗体浓度依次为0(PBS)、1fM、1pM、1nM、10nM、100nM。
从图6的电流-时间关系中能够看到，实施例1先功能化、再转移所制得的器件随着功能化时滴加抗原溶液的浓度增加，其电流逐渐上升，且变化明显。
从图7的电流-时间关系中能够看到，对比例1先转移、再功能化所制得的器件仅在加入1fm(fmol)抗原溶液时有明显的电流变化，加入其余浓度的抗原溶液时电流没有变化。
由此可知：本申请先功能化、再转移所制得的器件性能更好。
综上所述，本申请实施例的石墨烯生物传感器及其制备方法，通过先将生物分子溶液定点滴液到石墨烯表面完成功能化，再制备成石墨烯传感器，避免了石墨烯转移时受到污染后降低功能化的成功率，也节省了生物分子剂量，能够高效的制备出石墨烯生物传感器。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
以表面具有石墨烯层的基材为对象，将生物分子溶液滴液至所述石墨烯层表面的特定位点进行功能化，在石墨烯层表面形成分散布置的功能化层，得到功能化石墨烯复合层；
将功能化石墨烯复合层中的所述基材替换成具有金属电极的目标基底，再刻蚀去除所述石墨烯层未设置功能化层的区域。
2.根据权利要求1所述的石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，功能化层含有抗体和1-芘丁酸N羟基琥珀酰亚胺酯，所述1-芘丁酸N羟基琥珀酰亚胺酯用于连接抗体和石墨烯。
3.根据权利要求1所述的石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，功能化层的形成方法为：
将PBASE溶液滴液至石墨烯层表面的特定位点进行第一次功能化，清洗；
然后把抗体溶液滴液至所述特定位点进行第二次功能化，清洗。
4.根据权利要求3所述的石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，所述PBASE溶液的浓度为1～3mmol/L，每个特定位点的所述PBASE溶液滴液量为4～6μL；
和/或，所述抗体溶液的浓度为15-50μg/mL，每个特定位点的所述抗体溶液滴液量为4～6μL。
5.根据权利要求3所述的石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，第一次功能化的时间为1～3小时，第二次功能化的时间为10～15小时。
6.根据权利要求1或3所述的石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，采用排枪进行滴液操作。
7.根据权利要求1所述的石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，将基材替换成目标基底的方法为：先腐蚀去除基材，再将具有功能化层的石墨烯层转移至目标基底上。
8.根据权利要求7所述的石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，基材为铜箔，采用过硫酸铵溶液腐蚀去除铜箔。
9.根据权利要求1所述的石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，表面具有石墨烯层的基材的制备方法是在基材的表面沉积形成石墨烯层。
10.一种石墨烯生物传感器，其特征在于，其采用如权利要求1至9中任一项所述的石墨烯生物传感器的制备方法制得。
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