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K_D的大小为426fM，与K_D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

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。

[2]Zhang L,Xiong C,Wang H,et al.A sensitive electrochemiluminescenceimmunosensor for cardiac troponin I detection based on dual quenching of theself-enhanced Ru(II)complex by folic acid and in situ generated oxygen[J].Sensors andActuators B:Chemical,2017,241:765-772。

[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。

[4]Kong T,Su R,Zhang B,et al.CMOS-compatible,label-free silicon-nanowire biosensors to detect cardiac troponin I for acute myocardialinfarction diagnosis[J].Biosensors&Bioelectronics,2012,34(1):267-272。

[5]Singal S,Srivastava A K,Dhakate S,et al.Electroactive graphene-multi-walled carbon nanotube hybrid supported impedimetric immunosensor forthe detection ofhuman cardiac troponin-I[J].RSC Advances,2015,5(92):74994-75003。

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，ΔV_Dirac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，V_Dirac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ΔV_Dirac＝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。