石墨烯光纤生物传感器研制及性能的研究

1 引言

光纤生物传感技术是将生物传感技术和光纤技术有机结合的一种分析方法.当被测分子浓度变化时就会引起光信号的振幅、相位等信息发生改变,通过记录这些信息的变化对被测分子的浓度进行分析测量.光纤传感技术具有免标记、实时、无损伤、灵敏度高等独特的优点[1-4].在疾病诊断、食品安检、环境检测、生物化学分析、医药检测和案件侦破等领域具有广阔应用前景.光纤生物传感器技术的发展主要依赖于传感区敏感材料的改进.目前,光纤生物传感器存在待测物与光纤敏感区亲和力差等缺点,使待测物难以吸附在光纤探头表面,有效信号不够强且信号难以稳定.这些缺点严重限制了光纤生物传感器的使用[5,6].因此,寻找一种生物兼容性好、稳定且重复性好的传感材料对光纤生物传感器技术的发展至关重要.

对技经模型从年利用小时数、工程投资、核燃料价格、贷款利率、内部收益率、还贷年限和建设工期七个因素方面进行电价分析，并分析出含税电价和工程造价水平对应变化情况：含税电价每变化0.002元，建成价变化大致为2.5亿元，而总投资变化约为2.66亿元，随着含税电价从0.43元(核电标杆)变化至0.39元，建成价下降50.35亿元，总投资下降53.65亿元。

石墨烯是由单层sp2杂化的碳原子堆积而成的蜂窝状结构的二维单晶功能材料,具有诸多的优异性能[7].最近研究表明石墨烯可以作为光纤生物传感器的敏感材料,石墨烯具有优异的生物兼容性,不会引起分子变性,并可以通过其表面的π-π键增加对分子的吸收,可有效稳定并放大信号[5]；本工作针对传统光纤生物传感技术目前存在的一些问题,将化学气相沉积(CVD)制备的高品质石墨烯作为增敏层转移到光纤探头的表面,研制石墨烯光纤生物传感器,并对肺癌标记物腺嘌呤核苷进行了检测,证明了石墨烯光纤生物传感器具有优良的传感性能,为新型光纤生物传感器的发展提供了一个可能的方法.

2 实验方法

2.1 石墨烯的制备

采用CVD方法,以甲烷气体为碳源用于石墨烯生长,生长温度为1050℃,铜箔(纯度为99.9%,厚度25 μm)作为碳源分子分解的催化剂,用来促进甲烷分子的裂解.具体方法是：先通过机械泵和分子泵,抽尽石英管反应室中的空气,压强至10-3 Pa 以下,然后温度升至300℃,关掉分子泵并以50 sccm流量向石英管通入H2,用来除去铜箔表面的杂质.继续升温至1050℃,退火20 min后,而后通入H2/CH4的混合气体(H2为50 sccm,CH4为20 sccm)用来生长石墨烯,生长时间为50 min.最后,打开管式炉的炉盖,使石英管温度快速降至室温.

2.2 石墨烯光纤传感探头的制作

本实验中,采取将石墨烯转移到光纤锥形区域的方法制作传感探头,具体流程如图1所示.

采用拉曼光谱分析了光纤锥形区表面石墨烯的品质和层数.如图3(a)所示,石墨烯的3个特征峰 D 峰、G峰和2D峰都清晰可见,表明石墨烯成功转移到了光纤锥形区.其中D峰(1360 cm-1)是由碳环呼吸振动引起的,它和石墨烯的晶粒尺寸和缺陷有关,此处,D峰的强度很小,表明制备的石墨烯缺陷较少,具有较高的品质.G峰(1593 cm-1)是由面内光学声子E2g模式的一阶散射引起的,2D峰(2713 cm-1)是由两个相反动量的声子的二阶散射引起的[8],其中2D峰和G峰的强度比(I2D/IG)可以表示石墨烯的层数,I2D/IG的比值大于2,表明石墨烯是单层结构[9].图3(b)绘制了I2D/IG的拉曼图像,拉曼图像比较平滑,表明了在这个区域内,拉曼峰的强度起伏比较小,I2D/IG 的比值范围在1.9～2.2之间变化,表明转移至光纤锥形区域的石墨烯具有均匀连续的单层结构.

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(5)PMMA/石墨烯转移至锥形区域：用光纤锥形区域捞取漂浮在培养皿中的PMMA/石墨烯薄层,石墨烯在外,PMMA层在内,因为纤芯和石墨烯转移的载体材质相同,所以石墨烯可以通过PMMA载体紧紧的贴合在锥形区的纤芯上.

如图2所示,本实验设计的石墨烯-锥形光纤传感器包括五个部分,从左到右依次是光源、偏振器、锥形传感区、光谱仪和计算机(图2(a)).在这里,选用LED灯泡作为光源,波长为628 nm,为了得到稳定输出的光强,选用恒流源作为LED灯泡的电源.中间两个凸透镜的作用是把光聚焦到光纤中.光纤的纤芯直径是980 μm,外层包裹着20 μm厚的氟化聚合物包层,最外面是厚度为1.2 mm的黑色聚乙烯外壳.为了保证入射光可以和分析物相互作用,用手术刀剥除了黑色聚乙烯外壳,然后用丙酮去除氟化聚合物包层,用光纤拉锥机把纤芯拉成锥形(图2(b)).为了便于测试分析物,在锥形区域装置了样品槽,光纤从样品槽中穿过,样品的注射与抽取均用可调式移液器.

(4)锥形传感区制作：用手术刀剥掉塑料光纤外层,用光纤拉锥机把塑料光纤拉成锥形,拉锥后的纤芯直径约为600 μm,锥形区域长度约为5 cm.

(3)把 PMMA/石墨烯/铜箔放入1 M的FeCl3中,使PMMA膜在最上层,铜箔在最下层,铜箔会慢慢溶解于FeCl3溶液中,随后用去离子水对剩余的PMMA/石墨烯进行清洗,清洗3次以便除去蚀刻剂,清洗后的PMMA/石墨烯漂浮在盛有去离子水的培养皿中备用.

(2)在长有石墨烯的铜箔上旋涂一层 PMMA膜：将4 g PMMA颗粒用100 mL的丙酮溶液溶解,50℃水浴并用磁力搅拌器搅拌；使用匀胶机旋涂PMMA,匀胶机转速是4000 rpm,时间为10～30 s.

图1 石墨烯光纤传感探头的制作流程

2.3 石墨烯光纤传感器的构成

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(a)石墨烯-锥形塑料光纤传感器 (b)光纤锥形区域

图2 结构示意图

3 结果与讨论

3.1 石墨烯的品质分析

(1)配备浓度为 1M 的FeCl3溶液作为蚀刻剂：称量27 g的六水FeCl3·6H2O,放入盛有100 mL去离子水的烧杯中,用玻璃棒搅拌使得Fecl3·6H2O溶解于去离子水中,配置浓度为1 M的FeCl3溶液.

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(a)拉曼光谱 (b)I2D/IG的拉曼图像

图3 石墨烯的拉曼分析图

3.2 石墨烯光纤传感器的性能分析

在本实验中,腺嘌呤核苷溶液作为分析物用于传感器的性能分析,用移液器将浓度为1～100 nM的腺嘌呤核苷溶液注射到样品槽中,待腺嘌呤核苷分子充分吸附到石墨烯表面后,即输出示数稳定之后再记录出射光强.在每次注射样品前,用去离子水清洗样品槽,然后用氮气枪将样品槽吹干,确定出射光强恢复到原始值再进行下一次测量.为了验证石墨烯在光纤传感器中的作用,设置了对比实验,即用无石墨烯层的锥形裸光纤进行检测.图4(a)和(b)分别显示了石墨烯光纤探头和裸光纤探头在不同浓度腺嘌呤核苷溶液下的光谱,可以看出在两种情况下,出射光强都随着腺嘌呤核苷溶液浓度的增大而逐渐减小,说明两种探头都可对溶液浓度产生灵敏的传感响应.不同的是,石墨烯光纤探头下光谱更加稳定(图4(a)),而裸光纤探头下光谱具有一定程度的起伏(图4(b)).为了进一步对比这两种探头的传感性能,选取了627 nm波长探究出射光强和腺嘌呤核苷溶液的关系.图4(c)显示了石墨烯光纤探头下出射光强和浓度的关系,随着腺嘌呤核苷溶液浓度由1 nM增加到100 nM,出射光强呈现线性的下降,出射光强和腺嘌呤核苷溶液呈现了良好的线性关系(R2=0.992),其灵敏度(拟合直线斜率的绝对值)较高,K=15.9.相对而言,光纤探头线性关系较差(R2=0.981),其灵敏度偏低,K=13.3(图4(d)).这说明石墨烯可有效提高传感器的稳定性和灵敏度.

图4 石墨烯光纤探头(a)和裸光纤探头(b)在不同浓度腺嘌呤核苷溶液下的光谱,石墨烯光纤探头(c)和裸光纤探头(d)出射光强和腺嘌呤核苷溶液浓度的关系

3.3 传感器原理分析

无论有无石墨烯膜,出射光强都随腺嘌呤核苷浓度的增大而减小,导致这种变化的原因是锥形纤芯区域外介质折射率发生了改变,而这种改变是分析物浓度的改变引起的.在完整无损的光纤中,光的传输方式是全反射,此时光在光纤中的传播分为两部分：光纤纤芯的光导部分和包层中的倏逝波部分,倏逝波的强度是随着穿透深度以指数方式衰减的[3].全反射时倏逝波的穿透深度非常小,倏逝波难以透过包层到达外部和周围介质相互作用.而在锥形光纤中,倏逝波的穿透深度增加,包层被去除之后,倏逝波可以直接和周围介质相互作用.随着周围介质(在本实验中为腺嘌呤核苷溶液)的浓度增大,倏逝场折射率增大,而倏逝波的穿透深度随着倏逝场折射率的增大而增大,更大的穿透深度导致倏逝波能量的损失增大,出射光强相应的随之变小[10].石墨烯存在时,可以通过π-π键作用束缚固定处于倏逝场中的腺嘌呤核苷分子,使得倏逝场折射率变化的更显著、更稳定,因此石墨烯传感探头具有更高的灵敏度,同时由于腺嘌呤核苷分子与石墨烯表面有较高的亲和力,因此使光谱信号更加稳定,出射光强度与溶液浓度的线性相关程度更高.

4 结论

本工作设计了一种新型的石墨烯-光纤倏逝波传感器,并对腺嘌呤核苷溶液进行了检测分析,在1～100nM范围内,出射光强度与溶液浓度呈现了良好的线性关系.该传感器利用石墨烯的极好的生物分子亲和性,提高了待测物分子在传感区的稳定性,进而有效提高了光谱稳定性.实验结果证明,与锥形纤芯未覆盖石墨烯的情况相比,锥形纤芯覆盖石墨烯的传感器具有更高的稳定性、灵敏度和线性度,为新型高灵敏度光纤传感器设计提供一个新的思路.

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