一种基于功能化修饰磁性纳米颗粒的石墨烯基光学生物传感器

张慧琴; 孙立勋; 杨艺哲; 吴晓静; 杨勇; 朱思伟; 袁小聪

doi:doi:10.3788/AOS202040.1117001

光学学报, 2020, 40 (11): 1117001, 网络出版: 2020-06-10

一种基于功能化修饰磁性纳米颗粒的石墨烯基光学生物传感器下载： 1182次

Graphene-Based Optical Biosensor Using Functionalized Magnetic Nanoparticles

论文大纲

张慧琴 ¹孙立勋 ³杨艺哲 ¹吴晓静 ^2,*杨勇 ^1,**朱思伟 ²袁小聪 ³

作者单位

¹ 南开大学现代光学研究所, 天津 300071

² 天津市人民医院, 天津 300121

³ 深圳大学深圳微尺度光信息技术重点实验室纳米光子学研究中心, 广东深圳 518060

生物光学折射率传感石墨烯磁性纳米颗粒生物毒素 biological optics refractive index graphene magnetic nanoparticles biotoxins

AI 词云图 AI一句话精读 AI短摘要

注：本部分内容由 AI 自动生成，请您知悉。

摘要

提出了一种利用石墨烯基光学生物传感器对特异性生物小分子实现高灵敏检测的方法,采用易于修饰的磁性纳米颗粒作为生物探针载体,通过磁场控制实现磁性颗粒在石墨烯表面的吸附,优化了石墨烯表面复杂的改性过程。利用搭建的基于功能化修饰磁性纳米颗粒的石墨烯基光学生物传感器,实现了0.01 ng·mL -1的赭曲毒素A的检测,在0.01~5 ng·mL -1微小浓度范围内具有良好的响应,且表现出较好的特异性。该方法扩展了石墨烯基的光学生物传感器的应用范围,简化了生物分子的传感过程,提高了光学生物传感器的灵敏度。

Abstract

This study presents a high-sensitivity detection method for a specific biological molecule using a graphene-based optical biosensor. The use of functionalized magnetic nanoparticles as biological molecule carriers, which can be immobilized on the graphene surface under a magnetic field, improves the graphene surface-modification process. The effectiveness of our proposed method was successfully verified in an Ochratoxin A detection experiment. We obtained a detection limit of 0.01 ng·mL ^-1 for Ochratoxin A, a good response in the range of 0.01--5 ng·mL ^-1, and a good function of the biomolecule specificity. We believe that the proposed method can expand the scope of applications of graphene-based optical biosensors, simplify the biomolecule-sensing process, and improve the sensitivity of graphene-based optical biosensors.

1 引言

二维材料石墨烯具有很多独特的光电特性,研究发现,在全内反射条件下,利用石墨烯的偏振选择吸收特性^[1-2],可构建出一种高折射率灵敏度的石墨烯基生物传感器^[3]。同现有的基于表面等离子激元(SPR)的传感技术相比^[4-5],石墨烯基的光学生物传感器具有灵敏度高、纵向探测深度大和结构简单等优点。在细胞检测、免疫识别和药物敏感性等领域具有广阔的应用前景^[6-9]。

利用折射率敏感的生物传感器进行特异性生物小分子检测具有重要的应用价值。传统的SPR生物传感器可以在金膜表面直接修饰生物探针,且这种制备工艺已相对成熟。文献[ 10]中利用SPR传感器的金膜表面巯基(—SH)直接与适配体(aptamer)形成共价键结构,成功地实现了赭曲毒素A(OTA)的检测。文献[ 11]中采用SPR生物传感器对山羊IgMt抗体进行检测,检测过程中同样采用金膜表面巯基(—SH)直接与适配体形成共价键的连接方式。然而对于石墨烯基的生物传感器,不同实验室制备的石墨烯参差不齐,不同方式合成的石墨烯表面带有不同的官能团,修饰方法各异,如:采用石墨烯基光学传感器检测兔I􀰗gG蛋白时,需对氧化还原石墨烯功能团进行活化处理,然后再与适配体连接^[8];利用石墨烯基光学传感器对特定气体NO₂检测时,需要对石墨烯表面进行特殊的磺基化处理后才能进行特异性检测^[12]。Fe₃O₄基磁性纳米颗粒经常被用于分离纯化大分子试剂、药物递送载体等^[13],由于Au具有较好的生物相容性能,且易与巯基结合,因此带有Au核壳结构的Fe₃O₄基复合纳米颗粒常被用于修饰生物分子,通过外界磁场的控制,可实现快速生物分子的递送^[14-17],如Guo^[18]将Fe₃O₄@Au磁性纳米颗粒用于SPR传感系统中,实现了样品分子至金膜表面的快速吸附。

本文给出了一种于功能化修饰磁性纳米颗粒的石墨烯基光学生物传感器,在全内反射条件下,将修饰有生物探针磁性纳米颗粒,通过磁场控制吸附在石墨烯基的传感器表面,基于石墨烯偏振选择吸收特性,实现高灵敏度、特异性的生物小分子的实时检测,替代了在石墨烯表面直接修饰生物探针的复杂过程。研究发现,吸附的磁性纳米颗粒相比于传统SPR传感器的金膜表面具有更大的表面积,由于石墨烯基光学生物传感器的纵向探测深度较大^{[3,6-7,10,19-22]},故可进一步提高传感灵敏度,使其更加适用于低浓度生物小分子的检测。利用上述方法对小浓度的OTA的检测结果表明,实现了动态范围0.01~5 ng·mL^-1的 OTA实时检测。

2 基于功能化修饰磁性颗粒的折射率传感

2.1 石墨烯偏振选择吸收特性

石墨烯具有独特的电子结构,其导带和价带在狄拉克点相遇,因此本征石墨烯在不同频率的入射光波激发时具有固定的电导率。多层石墨烯可看作单层石墨烯的动态叠加,则N层石墨烯的介电常数 $σ_{g}^{(N)}$ 可表示为

σ_{g}^{(N)} = N σ_{g}, (1)

式中:σ_g为单层石墨烯的介电常数;N为石墨烯的层数。研究表明,当光波波长为532 nm时,可以计算出单层石墨烯的动态介电常数为σ_g=60.853-0.078i^[20]。

基于石墨烯偏振选择吸收特性,构建全内反射(TIR)条件下含有石墨烯的三明治结构模型,示意图如图1(a)所示。在光密介质(BK7玻璃基体)与光疏介质(水)界面加入石墨烯材料,当入射光线以大于临界角入射时,在界面产生的隐失波沿石墨烯表面传输,其振幅沿z轴方向以指数形式衰减。根据Maxwell界面传输理论,可以获得TE偏振模式下的电磁波反射率r_s、透射率t_s和吸收率α_s,表达式为

\{\begin{array}{l} r_{s} = {|\frac{n_{1} \cos θ_{1} - n_{2} co s θ_{2} - γ μ_{0} σ_{g}^{(N)}}{n_{1} \cos θ_{1} + n_{2} \cos θ_{2} + γ μ_{0} σ_{g}^{(N)}}|}^{2} \\ t_{s} = \frac{n_{2} \cos θ_{2}}{n_{1} \cos θ_{1}} |{\frac{2 n_{1} \cos θ_{1}}{n_{1} \cos θ_{1} + n_{2} \cos θ_{2} + γ μ_{0} σ_{g}^{(N)}}|}^{2} \\ α_{s} = 1 - r_{s} - t_{s} \end{array}, (2)

式中:μ₀为真空磁导率;γ为真空电导率;θ₁、θ₂分别为光由光密介质入射到光疏介质的入射角和折射角;n₁和n₂分别为光密介质和光疏介质的折射率。本研究采用光密介质为BK7玻璃(n₁=1.517),光疏介质为水(n₂=1.333)。因为单层石墨烯的厚度仅为0.34 nm,所以在计算过程中其厚度相对于周围的电介质可以忽略。

同理,对于TM偏振模式下的电磁波,反射率r_p、透射率t_p和吸收率α_p可表示为

\{\begin{array}{l} r_{p} = {|\frac{n_{2} \cos θ_{1} - n_{1} \cos θ_{2} + γ μ_{0} σ_{g}^{(N)} \cos θ_{2} \cos θ_{1}}{n_{2} \cos θ_{1} + n_{1} \cos θ_{2} + γ μ_{0} σ_{g}^{(N)} \cos θ_{2} \cos θ_{1}}|}^{2} \\ t_{p} = \frac{n_{2} \cos θ_{2}}{n_{1} \cos θ_{1}} |{\frac{2 n_{1} \cos θ_{1}}{n_{2} \cos θ_{1} + n_{1} \cos θ_{2} + γ μ_{0} σ_{g}^{(N)} \cos θ_{2} \cos θ_{1}}|}^{2} \\ α_{p} = 1 - r_{p} - t_{p} \end{array} 。 (3)

基于上述模型可以测量光疏介质的折射率变化,实验中采用的入射光的波长为532 nm,采用化学沉积法(CVD)制备的石墨烯(层数N=10)。理论模拟得到入射光为不同偏振态时的反射率与入射角的关系曲线,如图1(b)所示,当入射角大于临界角时(θ₁=61.48°),石墨烯表现出偏振选择吸收特性,即对TE偏振光的吸收明显高于对TM偏振光的吸收。基于该特性,可以通过测量TM与TE的反射率差值来表征光疏介质的折射率变化。从图1(b)中实线可以看出,在临界角附近时反射率差值的变化最剧烈,其对光疏介质的折射率变化也最灵敏。相比于传统的TIR系统,即无石墨烯材料( $σ_{g}^{(N)}$ =0),根据(2)式和(3)式,同理可以计算出不同偏振模式下反射率差值与光疏介质折射率的关系,如图1(c)中曲线所示。通过对比可以看出,有石墨烯的情况下反射率差值对光疏介质折射率变化的敏感性远远大于传统的无石墨烯的TIR系统。

图 1. TIR条件下的石墨烯偏振选择吸收特性。(a) TIR条件下含有石墨烯的三明治结构模型;(b) TIR条件下含有石墨烯时不同偏振态反射率与入射角的关系;(c)有无石墨烯两种情况下反射率差值与光疏介质折射率的关系

Fig. 1. Polarization-sensitive absorption of graphene under TIR condition. (a) Sandwich structure model with graphene under TIR condition; (b) relationship between the reflectance at TE/TM polarization states and the incident angle with graphene under TIR condition; (c) relationship between the reflectance difference and the refractive index of the optically thinner medium with/without graphene

下载图片查看所有图片

2.2 石墨烯基的光学生物传感器

基于上述原理搭建了石墨烯的光学生物传感器,其原理如图2所示。在BK7玻璃(n₁=1.517)的直角棱镜表面铺设CVD石墨烯材料,形成传感芯片。在棱镜表面制作PDMS (Polydimethylsiloxane)材料的微流腔并与微流泵连接,充入待测介质。采用功率为20 mW、波长为532 nm的固体激光器作为光源,其输出光束经过准直后,经过1/4波片和1/2波片调制为圆偏振光。经过分束镜(BS)和反射镜M1,以大于临界角的61.5°入射到棱镜与待测介质的界面,发生全内反射。出射光经反射镜M2反射原路返回,经过分束器的反射,在偏振分光棱镜(PBS)上被分束为TE偏振光和TM偏振光。通过平衡探测器(型号为Thorlabs PDB210A)采集TE和TM光强的差值,其差分结果以电压信号的形式输出。基于上述的石墨烯偏振选择吸收特性,该光强的差分结果可用于表征被测介质的折射率的实时变化,折射率测量灵敏度可达10^-8 RIU(RIU为单位折射率)^[21]。

图 2. 石墨烯基的光学生物传感器光路示意图

Fig. 2. Schematic diagram of graphene-based optical biosensor

下载图片查看所有图片

利用上述折射率传感器可在分子水平实现特异性生物小分子的高灵敏检测。为了克服直接在石墨烯表面直接修饰生物探针的技术手段不成熟的问题,本研究采用Au纳米颗粒包裹四氧化三铁磁性颗粒(Fe₃O₄@Au)作为生物探针载体,其表面的Au具有较好的生物相容性,常用于修饰生物分子。测量流程如图3所示:1)将预先修饰生物探针的Fe₃O₄@Au纳米颗粒,注入微流腔;2)在传感芯片下方固定一个磁块,形成磁场,磁铁两端磁性最强,磁场强度与离磁铁表面的距离成反比,磁铁对磁性纳米颗粒的吸引力会阻碍磁性纳米颗粒的热运动^[23],将磁性纳米颗粒稳定地吸附在传感芯片表面,其中,磁铁大小为50 mm×50 mm×25 mm,磁铁与传感芯片的距离为10 mm,传感表面磁场强度约为80 mT;3)将待测生物小分子注入微流腔;4)具有特异性的待测生物小分子与修饰在磁性颗粒表面的生物探针相互作用,引起传感芯片表面折射率的变化。

2.3 纳米磁性颗粒的功能化修饰

Fe₃O₄@Au纳米颗粒(100 nm)的制备是由Fe₃O₄磁性纳米颗粒(70 nm)修饰聚吡咯,再由Au纳米颗粒(5 nm)包覆^[24],其电镜显微图(TEM)如图4(a)所示。表面修饰Au纳米颗粒不仅便于修饰,还能提高磁性纳米颗粒的分散性,进一步增强光学传感的表面积,以提供更多的结合位点。采用的适配体核苷酸序列为5'-SH-GATCGGGTGTGGC-GTAAAGGGAGCATCGGACA-3',通过Au表面与巯基修饰的适配体脱氧核糖核酸(DNA)所形成的Au—S键,在Au颗粒表面捆绑适配体DNA链,实现Fe₃O₄@Au磁性纳米颗粒的功能化修饰,得到Fe₃O₄@Au-aptamer胶体溶液。利用紫外可见光谱仪分别测量修饰前后的磁性纳米颗粒胶体溶液的紫外可见吸收光谱,如图4(b)所示。可以看出,对于未修饰适配体DNA的溶液,Au纳米颗粒表面的等离子体共振,会导致其光谱在523 nm附近存在一个共振峰。对于修饰有适配体DNA的Fe₃O₄@Au-aptamer溶液,其共振峰位于527 nm附近,产生了一个微小的红移,这表明适配体DNA成功修饰在Fe₃O₄@Au纳米颗粒表面。

图 3. 功能化修饰的磁性纳米颗粒的折射率传感流程图

Fig. 3. Flowchart of refractive index sensing for functionalized magnetic nanoparticles

下载图片查看所有图片

Fe3O4@Au磁性纳米颗粒的修饰。(a) Fe3O4@Au纳米颗粒的TEM图;(b) Fe3O4@Au纳米颗粒的紫外可见光谱

图 4. Fe₃O₄@Au磁性纳米颗粒的修饰。(a) Fe₃O₄@Au纳米颗粒的TEM图;(b) Fe₃O₄@Au纳米颗粒的紫外可见光谱

Fig. 4. Modification of Fe₃O₄@Au magnetic nanoparticles. (a) TEM image of Fe₃O₄@Au nanoparticles; (b) UV-visible spectrum of Fe₃O₄@Au nanoparticles

下载图片查看所有图片

3 实验结果与分析

3.1 折射率传感特性分析

首先对搭建的石墨烯基光学生物传感器实验平台的传感特性进行测量,配制了质量分数分别为0%、0.005%、0.01%、0.05%、0.1%、0.5%、1%的氯化钠溶液,溶剂为去离子水,氯化钠溶液的质量分数与折射率满足

n_{NaCl} = n_{water} + 0.00185 c, (4)

式中:n_NaCl为氯化钠溶液的折射率;n_water为去离子水的折射率;c为氯化钠溶液的质量分数。

该生物传感器的灵敏度S(n)可以表示为

S (n) = \frac{Δ u}{Δ n}, (5)

式中:Δu为电压变化值;Δn为微小折射率。实验中采用配制不同浓度的氯化钠溶液来实现折射率的微小变化。

分辨率R可以表示为

R = \frac{3 σ}{S (n)}, (6)

式中:σ为多次采样计算得到的标准差。

将不同质量分数的氯化钠溶液依次分别通入微流腔中,得到实时电压信号与氯化钠溶液折射率的关系如图5(a)所示,其中采样频率为10 Hz,并计算出系统的标准差为σ=0.56 mV,随着氯化钠溶液折射率的增加,TE/TM强度差分电压响应增大。图5(b)为不同浓度氯化钠溶液折射率与电压关系,其中质量分数为0.005%的氯化钠溶液带来的电压信号响应为0.0245 V。未加颗粒的石墨烯光学传感系统的灵敏度和分辨率分别为2.65×10⁶ mV/RIU和6.57×10^-7 RIU。

图 5. 不同浓度氯化钠溶液对应折射率的电压响应。(a)实时电压变化;(b)折射率与电压关系

Fig. 5. Voltage response of refractive index at different sodium chloride concentrations. (a) Real-time voltage change; (b) relationship of refractive index and voltage

下载图片查看所有图片

3.2 Fe₃O₄@Au-aptamer磁性纳米颗粒的吸附

在石墨烯基的光学生物芯片的微流腔中,注入质量浓度为1 mg/mL的Fe₃O₄@Au-aptamer磁性颗粒悬浮液,首先在不加入磁铁时,静置22 min,测量传感器输出电压值随时间的变化,其结果如图6所示,根据图中曲线可以看出,随着时间的变化,传感器输出电压值几乎没有变化,这表明磁性颗粒以悬浊液的形式分散在微流腔中,没有吸附在石墨烯表面。接着,采用磷酸盐缓冲液进行清洗后,重新注入Fe₃O₄@Au-aptamer磁性颗粒悬浮液,然后加入磁铁,在传感层表面的磁场强度约为80 mT时,发现传感器输出电压随时间变化缓慢下降。这表明Fe₃O₄@Au-aptamer磁性颗粒在磁场的作用下被缓慢地吸附到石墨烯传感表面,磁性纳米颗粒的介电常数较大,在吸附石墨烯表面过程中,引起石墨烯表面折射率的缓慢增加。此外,又对有无添加磁场时石墨烯传感器表面进行了显微成像,其结果如图7所示,从图7(b)存在磁场时石墨烯表面显微图像可以看出,颗粒在磁场的作用下吸附于在石墨烯表面并形成了自组装长链。对比图7(a)所示的无磁场情况下的结果,磁性纳米颗粒由于热运动,很难固定于石墨烯表面。上述实验结果表明,通过磁场控制能快速有效地将修饰有适配体DNA的磁性颗粒吸附在石墨烯光学传感表面,该方法代替了在石墨烯表面直接修饰的复杂工艺,且由于磁性颗粒的表面积大于传统的平面结构,间接增加了光学传感的表面积,故可有效提高传感灵敏度。

图 6. 磁性纳米颗粒固定的实时电压响应

Fig. 6. Real-time voltage response when magnetic nanoparticles was immobilized on the surface of graphene

下载图片查看所有图片

图 7. 不同磁场强度下磁性颗粒吸附在石墨烯表面的明场显微图像。(a) 0 mT; (b) 80 mT

Fig. 7. Bright-field micrograph of magnetic nanoparticles adsorbed on the surface of graphene under different magnetic field intensities. (a) 0 mT; (b) 80 mT

下载图片查看所有图片

3.3 OTA的检测

为了验证所提方法的有效性,对小浓度的OTA进行检测。OTA是一种对人体健康有害且分子量只有403 g/mol的生物小分子,由于其广泛存在于各种作物和食品中,故实现其高灵敏检测尤为重要^[25-26]。本研究配制质量浓度分别为0.01、0.5、1、2、5 ng·mL^-1的OTA溶液,采用磷酸盐缓冲液作为溶剂。在微流腔内充入修饰有适配体DNA的Fe₃O₄@Au-aptamer磁性颗粒,在磁场作用下将其吸附在石墨烯传感表面。分别将不同浓度的OTA样品以20 μL·min^-1的速度注入微流腔中,测量传感器输出电压值随响应时间的变化,实验结果如图8所示,从图中可以看出,随着时间的推移,传感器输出的电压值不断减小,表明石墨烯传感器表面的折射率不断增大。其原因为游离的OTA分子逐渐与修饰在颗粒表面的生物探针OTA适配体相结合,将适配体的结构由无规则卷曲结构变为G-四重结构,引起石墨烯表面折射率变大。图9给出了不同浓度OTA样品与传感器输出电压的关系曲线,可以看出石墨烯基生物传感器输出的电压信号随着OTA分子浓度增加而增加,质量浓度为5 ng·mL^-1的OTA样品引起电压信号的改变量为18 mV,最低质量浓度的0.01 ng·mL^-1的OTA样品引起电压信号的改变量为5 mV,这表明本文所提出的方法可实现最小质量浓度为0.01 ng·mL^-1的探测,目前已报道的OTA光学传感方式的探测极限为0.01 ng·m ${L^{- 1}}^{[27]}$ ,该实验结果与目前已报道的最好探测极限数值相当。

为了验证修饰有适配体DNA的Fe₃O₄@Au-aptamer磁性颗粒的特异性,采用黄曲霉毒素B₁(Aflatoxin B1,AFB₁)在相同条件下进行了对照实验。在微流腔内分别充入质量浓度为0.01 ng·mL^-1和2 ng·mL^-1的AFB₁样品,测量传感器输出电压值,并将其与充入同样浓度OTA样品时的输出电压值进行比较,实验结果如图10所示,可以看出,传感器对AFB₁样品的响应远远低于对OTA样品的响应。质量浓度达到2 ng·mL^-1的AFB₁样品引起的电压信号变化与质量浓度仅为0.01 ng·mL^-1的OTA样品带来的电压信号变化相当。由此可见,在磁性颗粒表面修饰的OTA适配体探针具有较好的特异性,虽然对大浓度的AFB₁对照样品有少许响应,但其数值远远小于同样浓度OTA样品的响应。

图 8. 不同浓度OTA实时电压响应

Fig. 8. Real-time voltage response of Ochratoxin A at different concentrations

下载图片查看所有图片

图 9. 不同浓度OTA与传感器输出电压的关系

Fig. 9. Relationship between different concentrations of Ochratoxin A and output voltage

下载图片查看所有图片

图 10. AFB₁与OTA电压响应的比较

Fig. 10. Comparison of voltage response of aflatoxin B₁ and ochratoxin A

下载图片查看所有图片

4 结论

研究表明,采用生物相容性好的Fe₃O₄@Au纳米复合材料作为探针适配体的载体,通过控制磁场使其吸附在石墨烯传感器表面,有效地克服了直接在石墨烯表面修饰生物探针困难的问题,扩展了石墨烯基的光学生物传感器的应用范围。利用自行搭建的基于功能化修饰磁性颗粒的石墨烯基光学生物传感器,实现了0.01 ng·mL^-1的超低浓度OTA分子的检测,且在0.01~5 ng·mL^-1浓度范围内具有良好的响应。与AFB1样品对照实验表明,在磁性颗粒表面修饰的OTA适配体探针具有较好的特异性。本文所提出的基于功能化修饰磁性颗粒的石墨烯基光学生物传感器,作为一种实现特异性生物小分子的高灵敏检测方法,具有一定的普适性,不仅可实现本文给出的低浓度OTA的检测,还可以通过改变适配体核苷酸的顺序,实现其他毒素小分子的特异性高灵敏检测,其在食品安全、药物开发与筛选、细胞检测、免疫识别和遗传分析等领域具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] Bao Q L, Zhang H, Wang B, et al. Broadband graphene polarizer[J]. Nature Photonics, 2011, 5(7): 411-415.

[2] Ye Q, Wang J, Liu Z B, et al. Polarization-dependent optical absorption of graphene under total internal reflection[J]. Applied Physics Letters, 2013, 102(2): 021912.

[3] Xing F, Liu Z B, Deng Z C, et al. Sensitive real-time monitoring of refractive indexes using a novel graphene-based optical sensor[J]. Scientific Reports, 2012, 2: 908.

[4] Peterson A W, Halter M, Tona A, et al. High resolution surface plasmon resonance imaging for single cells[J]. BMC Cell Biology, 2014, 15: 35.

[5] 陈强华, 刘景海, 罗会甫, 等. 一种基于表面等离子共振的液体折射率测量系统[J]. 光学学报, 2015, 35(5): 0512002.

Chen Q H, Liu J H, Luo H F, et al. Refractive index measurement system of liquid based on surface plasmon resonance[J]. Acta Optica Sinica, 2015, 35(5): 0512002.

[6] Sun L X, Zhang Y Q, Wang Y J, et al. Real-time subcellular imaging based on graphene biosensors[J]. Nanoscale, 2018, 10(4): 1759-1765.

[7] Wang Y J, Zhang S W, Xu T, et al. Ultra-sensitive and ultra-fast detection of whole unlabeled living cancer cell responses to paclitaxel with a graphene-based biosensor[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2018, 263: 417-425.

[8] Jiang W S, Xin W, Xun S, et al. Reduced graphene oxide-based optical sensor for detecting specific protein[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2017, 249: 142-148.

[9] 刘璐, 吴晓静, 孙伽略, 等. 大穿透深度折射率传感器对活细胞药物敏感性的研究[J]. 光学学报, 2018, 38(11): 1104001.

Liu L, Wu X J, Sun J L, et al. Study on large penetration depth refractive index sensor to drug susceptibility of living cells[J]. Acta Optica Sinica, 2018, 38(11): 1104001.

[10] Bianco M. Sonato A, de Girolamo A, et al. An aptamer-based SPR-polarization platform for high sensitive OTA detection[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2017, 241: 314-320.

[11] Zhang H, Sun Y, Wang J, et al. Preparation and application of novel nanocomposites of magnetic-Au nanorod in SPR biosensor[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2012, 34(1): 137-143.

[12] Xing F, Zhang S, Yang Y, et al. Chemically modified graphene films for high-performance optical NO2 sensors[J]. The Analyst, 2016, 141(15): 4725-4732.

[13] Singamaneni S, Bliznyuk V N, Binek C, et al. Magnetic nanoparticles: recent advances in synthesis, self-assembly and applications[J]. Journal of Materials Chemistry, 2011, 21(42): 16819-16845.

[14] Miao P, Tang Y G, Wang L. DNA modified Fe3O4@Au magnetic nanoparticles as selective probes for simultaneous detection of heavy metal ions[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9(4): 3940-3947.

[15] Chen H X, Qi F J, Zhou H J, et al. Fe3O4@Au nanoparticles as a means of signal enhancement in surface plasmon resonance spectroscopy for thrombin detection[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2015, 212: 505-511.

[16] Cai H D, Li K G, Shen M W, et al. Facile assembly of Fe3O4@Au nanocomposite particles for dual mode magnetic resonance and computed tomography imaging applications[J]. Journal of Materials Chemistry, 2012, 22(30): 15110-15120.

[17] 李春梅. 金纳米与磁纳米颗粒及其复合物的生物传感和细胞成像研究[D]. 重庆: 西南大学, 2013: 69- 87.

Li CM. Applications of AuNPs, Fe3O4 Nanoparticles and Fe3O4@Au nanorose in biosensing and cell imaging[D]. Chongqing: Southwest University, 2013: 69- 87.

[18] Guo X W. Fe3O4@Au nanoparticles enhanced surface plasmon resonance for ultrasensitive immunoassay[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, 205: 276-280.

[19] Sun L X, Zhang Y Q, Wang Y J, et al. Refractive index mapping of single cells with a graphene-based optical sensor[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2017, 242: 41-46.

[20] Sun L X, Zhang Y Q, Zhang C L, et al. Refractive index sensing and imaging based on polarization-sensitive graphene[J]. Optics Express, 2019, 27(20): 29273-29286.

[21] Xing F, Meng G X, Zhang Q, et al. Ultrasensitive flow sensing of a single cell using graphene-based optical sensors[J]. Nano Letters, 2014, 14(6): 3563-3569.

[22] Yang Y, Sun J L, Liu L, et al. Research of detection depth for graphene-based optical sensor[J]. Optics Communications, 2018, 411: 143-147.

[23] Chikazawa J I, Uwada T, Furube A, et al. Flow-induced transport via optical heating of a single gold nanoparticle[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2019, 123(7): 4512-4522.

[24] Zhang H, Zhong X, Xu J J, et al. Fe3O4/polypyrrole/Au nanocomposites with core/shell/shell structure: synthesis, characterization, and their electrochemical properties[J]. Langmuir, 2008, 24(23): 13748-13752.

[25] Meulenberg E P. Immunochemical methods for ochratoxin A detection: a review[J]. Toxins, 2012, 4(4): 244-266.

[26] Mateo R, Medina Á, Mateo E M, et al. An overview of ochratoxin A in beer and wine[J]. International Journal of Food Microbiology, 2007, 119(1/2): 79-83.

[27] Al Rubaye A, Nabok A, Catanante G, et al. Detection of ochratoxin A in aptamer assay using total internal reflection ellipsometry[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2018, 263: 248-251.

3.2 Fe₃O₄@Au-aptamer磁性纳米颗粒的吸附

3.3 OTA的检测

4 结论

张慧琴, 孙立勋, 杨艺哲, 吴晓静, 杨勇, 朱思伟, 袁小聪. 一种基于功能化修饰磁性纳米颗粒的石墨烯基光学生物传感器[J]. 光学学报, 2020, 40(11): 1117001. Huiqin Zhang, Lixun Sun, Yizhe Yang, Xiaojing Wu, Yong Yang, Siwei Zhu, Xiaocong Yuan. Graphene-Based Optical Biosensor Using Functionalized Magnetic Nanoparticles[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(11): 1117001.

一种基于功能化修饰磁性纳米颗粒的石墨烯基光学生物传感器下载： 1182次

1 引言

2 基于功能化修饰磁性颗粒的折射率传感

2.1 石墨烯偏振选择吸收特性

图 1. TIR条件下的石墨烯偏振选择吸收特性。(a) TIR条件下含有石墨烯的三明治结构模型;(b) TIR条件下含有石墨烯时不同偏振态反射率与入射角的关系;(c)有无石墨烯两种情况下反射率差值与光疏介质折射率的关系

2.2 石墨烯基的光学生物传感器

图 2. 石墨烯基的光学生物传感器光路示意图

Fig. 2. Schematic diagram of graphene-based optical biosensor

2.3 纳米磁性颗粒的功能化修饰

图 3. 功能化修饰的磁性纳米颗粒的折射率传感流程图

Fig. 3. Flowchart of refractive index sensing for functionalized magnetic nanoparticles

图 4. Fe₃O₄@Au磁性纳米颗粒的修饰。(a) Fe₃O₄@Au纳米颗粒的TEM图;(b) Fe₃O₄@Au纳米颗粒的紫外可见光谱

Fig. 4. Modification of Fe₃O₄@Au magnetic nanoparticles. (a) TEM image of Fe₃O₄@Au nanoparticles; (b) UV-visible spectrum of Fe₃O₄@Au nanoparticles

3 实验结果与分析

3.1 折射率传感特性分析

图 5. 不同浓度氯化钠溶液对应折射率的电压响应。(a)实时电压变化;(b)折射率与电压关系

Fig. 5. Voltage response of refractive index at different sodium chloride concentrations. (a) Real-time voltage change; (b) relationship of refractive index and voltage

3.2 Fe₃O₄@Au-aptamer磁性纳米颗粒的吸附

图 6. 磁性纳米颗粒固定的实时电压响应

Fig. 6. Real-time voltage response when magnetic nanoparticles was immobilized on the surface of graphene

图 7. 不同磁场强度下磁性颗粒吸附在石墨烯表面的明场显微图像。(a) 0 mT; (b) 80 mT

Fig. 7. Bright-field micrograph of magnetic nanoparticles adsorbed on the surface of graphene under different magnetic field intensities. (a) 0 mT; (b) 80 mT

3.3 OTA的检测

图 8. 不同浓度OTA实时电压响应

Fig. 8. Real-time voltage response of Ochratoxin A at different concentrations

图 9. 不同浓度OTA与传感器输出电压的关系

Fig. 9. Relationship between different concentrations of Ochratoxin A and output voltage

图 10. AFB₁与OTA电压响应的比较

Fig. 10. Comparison of voltage response of aflatoxin B₁ and ochratoxin A

4 结论

Article Outline

关于本站 Cookie 的使用提示

全站搜索

一种基于功能化修饰磁性纳米颗粒的石墨烯基光学生物传感器 下载： 1182次

1 引言

2 基于功能化修饰磁性颗粒的折射率传感

2.1 石墨烯偏振选择吸收特性

图 1. TIR条件下的石墨烯偏振选择吸收特性。(a) TIR条件下含有石墨烯的三明治结构模型;(b) TIR条件下含有石墨烯时不同偏振态反射率与入射角的关系;(c)有无石墨烯两种情况下反射率差值与光疏介质折射率的关系

2.2 石墨烯基的光学生物传感器

图 2. 石墨烯基的光学生物传感器光路示意图

Fig. 2. Schematic diagram of graphene-based optical biosensor

2.3 纳米磁性颗粒的功能化修饰

图 3. 功能化修饰的磁性纳米颗粒的折射率传感流程图

Fig. 3. Flowchart of refractive index sensing for functionalized magnetic nanoparticles

图 4. Fe3O4@Au磁性纳米颗粒的修饰。(a) Fe3O4@Au纳米颗粒的TEM图;(b) Fe3O4@Au纳米颗粒的紫外可见光谱

Fig. 4. Modification of Fe3O4@Au magnetic nanoparticles. (a) TEM image of Fe3O4@Au nanoparticles; (b) UV-visible spectrum of Fe3O4@Au nanoparticles

3 实验结果与分析

3.1 折射率传感特性分析

图 5. 不同浓度氯化钠溶液对应折射率的电压响应。(a)实时电压变化;(b)折射率与电压关系

Fig. 5. Voltage response of refractive index at different sodium chloride concentrations. (a) Real-time voltage change; (b) relationship of refractive index and voltage

3.2 Fe3O4@Au-aptamer磁性纳米颗粒的吸附

图 6. 磁性纳米颗粒固定的实时电压响应

Fig. 6. Real-time voltage response when magnetic nanoparticles was immobilized on the surface of graphene

图 7. 不同磁场强度下磁性颗粒吸附在石墨烯表面的明场显微图像。(a) 0 mT; (b) 80 mT

Fig. 7. Bright-field micrograph of magnetic nanoparticles adsorbed on the surface of graphene under different magnetic field intensities. (a) 0 mT; (b) 80 mT

3.3 OTA的检测

图 8. 不同浓度OTA实时电压响应

Fig. 8. Real-time voltage response of Ochratoxin A at different concentrations

图 9. 不同浓度OTA与传感器输出电压的关系

Fig. 9. Relationship between different concentrations of Ochratoxin A and output voltage

图 10. AFB1与OTA电压响应的比较

Fig. 10. Comparison of voltage response of aflatoxin B1 and ochratoxin A

4 结论

Article Outline

相关论文

相关资讯

关于本站 Cookie 的使用提示

全站搜索

一种基于功能化修饰磁性纳米颗粒的石墨烯基光学生物传感器下载： 1182次

图 4. Fe₃O₄@Au磁性纳米颗粒的修饰。(a) Fe₃O₄@Au纳米颗粒的TEM图;(b) Fe₃O₄@Au纳米颗粒的紫外可见光谱

Fig. 4. Modification of Fe₃O₄@Au magnetic nanoparticles. (a) TEM image of Fe₃O₄@Au nanoparticles; (b) UV-visible spectrum of Fe₃O₄@Au nanoparticles

3.2 Fe₃O₄@Au-aptamer磁性纳米颗粒的吸附

图 10. AFB₁与OTA电压响应的比较

Fig. 10. Comparison of voltage response of aflatoxin B₁ and ochratoxin A