石墨烯表面等离激元共振传感器的应用探索

Zhang等[25]利用金纳米棒与氧化石墨烯复合薄膜材料作为SPR传感层，通过共价键作用将目标抗体与氧化石墨烯结合，用于牛的免疫球蛋白G（IgG）的检测。其检测范围为0.075～40.00 μg／mL，相比原始金纳米棒，氧化石墨烯复合的金纳米棒SPR传感器灵敏度高出3倍。

Zagorodko等[26]将石墨烯转移到金薄膜上，以棱镜为光密介质形成SPR传感器，再将纳米颗粒修饰的单链DNA吸附在石墨烯表面，当分析物中含有与吸附单链互补的单链DNA存在时，两者发生杂交形成双链DNA，由于双链DNA与石墨烯吸附能力弱，发生解吸现象，改变传感器界面折射率，使得SPR信号改变，由此实现单链DNA的检测，该传感器的检出限为500amol／L[1]，线性范围达到10－8mol／L。

Zhang等[27]将氧化石墨烯通过静电作用与金薄膜结合，氧化石墨烯由于表面含有大量羧基，可以和人的免疫球蛋白G（IgG）抗体结合，当分析物中含有IgG抗原时，可与固定在氧化石墨烯表面的抗体结合，从而改变SPR传感器界面的折射率，通过测量共振波偏移实现了IgG的定量检测。

2013年Kim等[28]首次用石墨烯完全取代传统金膜，将石墨烯转移到去除包层的光纤上形成SPR传感界面（图2-8），在溶液中分别依次加入生物素标记的DNA链片段和亲和素，研究发现溶液中生物分子浓度及生物素与亲和素的相互作用将影响反射光波长，由此实现生物分子的高灵敏度检测。

图2-8　基于石墨烯光纤的SPR生物传感器用于生物分子检测[28] (www.xing528.com)

Xing等[29]使用高温还原氧化石墨烯直接固定在SPR棱镜表面，设计了一种基于还原氧化石墨烯的SPR传感器（图2-9），其可用于单细胞检测。其检测原理是单细胞影响传感器界面折射率，不同大小的细胞对界面折射率的改变不同，从而可实现对多个不同大小的癌细胞的动态检测。这种高灵敏度的石墨烯光学传感器能够在单细胞水平上对正常细胞中的少量癌细胞进行无标记和高精度的检测，并且能够同时检测和区分两类细胞。研究发现当还原氧化石墨烯的层数为20时，可达到最高检测灵敏度为4.3×107mV／RIU，分辨率为1.7×10－8。

图2-9　基于还原氧化石墨烯的SPR传感器用于单细胞检测[29]

Chiu等[30]利用羧基功能化的氧化石墨烯与金膜结合制备SPR传感器，石墨烯的羧基官能化可以调节其可见光谱，从而可以用来改善和控制等离激元耦合机理。在牛血清蛋白分子的不同流速下，分析了传感膜和牛血清蛋白质分子之间的结合特性。通过牛血清蛋白抗原和抗体的免疫分析，研究了分子间的生物特异性结合作用。研究结果表明该SPR石墨烯传感器可以检测特异性蛋白和细胞，具有实时检测血液中肿瘤标记物的潜在能力。Chiu等[31]还在此基础上使用糖类抗原（CA199）作为生物标志物，与固定在羧基修饰的氧化石墨烯表面的CA199抗体结合，来检测胰腺癌标志物。实验结果表明，以羧基改性的氧化石墨烯为基底的表面等离激元共振生物芯片的最低抗原检出限可达10unit／mL。

Zhang等[32]提出了一种高度敏感的光纤SPR传感器，该传感器采用石墨烯修饰光纤的侧面抛光结构，用于植入式连续血糖监测，并利用长周期光纤光栅（Long-period Fiber Grating，LPFG）进行现场温度自补偿。结果表明，单层石墨烯传感器具有3058.22nm／RIU的最佳灵敏度，LPFG的最大分辨率为0.042nm／℃，所制备的SPR传感器能够检测到低血糖，这对在临床环境中连续监测血糖提供了潜在的工具。