NML研究文章|癌症标志物检测:基于纳米牛血清白蛋白功能化的石墨烯生物传感器

Novel Graphene Biosensor Based on the Functionalization of Multifunctional Nanobovine Serum Albumin for the Highly Sensitive Detection of Cancer Biomarkers

Lin Zhou, Kun Wang, Hao Sun, Simin Zhao, Xianfeng Chen, Dahong Qian, Hongju Mao*, Jianlong Zhao*
Nano-Micro Lett. (2019) 11: 20
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0250-8
    本文亮点     
1  利用纳米级失活牛血清白蛋白 (Nano-dBSA) 薄膜,构建了一种简单、新型的石墨烯生物传感界面2  本文使用Nano-dBSA功能化的石墨烯固体效应晶体管,在稀释血清中实现了癌症蛋白标志物fg/mL量级的高灵敏度检测
         内容简介         
中国科学院上海微系统与信息技术研究所毛红菊团队利用纳米级失活牛血清白蛋白(Nano-dBSA)功能化技术,开发了一种简单、方便、高灵敏度的石墨烯场效应晶体管(GFET)生物传感器,用于癌症蛋白标志物的检测👇

通过加热使石墨烯衬底表面滴加的牛血清白蛋白(BSA)变性构建了新型石墨烯-蛋白生物电子传感界面。

通过EDC和Sulfo-NHS作为交联剂进行活化,将癌胚抗原单克隆抗体(anti-CEA mAb)修饰在基于Nano-dBSA薄膜功能化的石墨烯沟道表面。Nano-dBSA 薄膜既作为石墨烯的保护层,同时又可以避免器件制备过程中的表面污染,从而提高器件的性能。

基于Nano-dBSA 薄膜的GFET生物传感器实现了目标分子特异性与高灵敏度的检测,检测限可以达到337.58 fg/mL。

通过希尔模型拟合不同CEA浓度下GFET的电流响应,分析捕获探针与目标分子的相互作用,结果表明CEA与anti-CEA的结合为负协同性,解离常数为6.82×10−10 M。

这种基于Nano-dBSA功能化方法可以赋予类石墨烯的二维纳米材料新的功能,为生物传感、纳米医学等领域的临床应用提供了一种可靠的生物功能化方法。

      图文导读     

基于Nano-BSA修饰GFET的制作工艺

图1 Nano-BSA修饰GFET制作工艺:(a)SiO2/Si衬底; (b)衬底表面制作Au/Ti金属电极作为源极和漏极; (c) 转移石墨烯的金属电极;(d)将BSA蛋白溶液滴加在石墨烯表面; (e) BSA蛋白溶液在80℃下失活3min形成薄膜;(f) 通过光刻定义石墨烯沟道;(g)等离子体刻蚀5min丙酮除去光刻掩膜后失活BSA修饰的石墨烯沟道; (h) 沉积SU8作为绝缘保护层。

第一步 通过光刻、金属沉积和剥离工艺,在SiO2/Si衬底上制作Au/Ti金属(Au/Ti:100nm/10nm)电极作为源极漏极,如图1(a)和图1(b)所示。

第二步 将通过CVD生长在铜基底的单层石墨烯在10 g/mL的过硫酸铵溶液中腐蚀,待铜腐蚀干净后,将石墨烯/PMMA薄膜转移到去离子水中清洗三次,将石墨烯转移到基底的金属电极上,并且通过丙酮除去石墨烯上的PMMA,如图1(c)所示。
第三步 将溶解在去离子水中浓度为1.5mmol/L的BSA滴加在石墨烯表面如图1(d)所示,并在80℃下在石墨烯表面热失活3min。BSA蛋白通过π-stacking和疏水作用吸附在石墨烯表面形成纳米级的BSA薄膜,如图1(e)所示。
第四步 通过光刻定义失活BSA修饰的石墨烯沟道,如图1(f)所示,使用AZ4620光刻胶(低速为500r/min,时间为10s;高速为2500r/min,时间为30s),前烘105℃持续8min,曝光50s,显影1min,去离子水清洗后在95℃硬烘10min。
第五步 通过等离子体刻蚀将沟道以外的区域刻蚀掉,刻蚀时间为5min,用丙酮将石墨烯沟道掩膜溶解,金电极表面失活BSA修饰的石墨烯沟道如图1(g)所示;第六,在石墨烯沟道的衬底表面沉积SU8光刻胶作为绝缘保护层,旋涂SU8 3005(低速为550r/min,时间为10s;高速为3600r/min,时间为40s),前烘65℃持续2min,曝光40s,后烘65℃持续1min,显影40s~60s,如图1(h)所示。

👇

当加入目标蛋白CEA时,随着CEA被Anti-CEA所捕获时,GFET的源漏电流明显增加。

在pH值接近中性的缓冲液中CEA蛋白分子带负电,当CEA分子被修饰在失活BSA薄膜表面的Anti-CEA捕获时,引起石墨烯中空穴载流子的增多,使得石墨烯沟道电导的增加,导致GFET的源漏电流增大,通过GFET源漏电流的变化检测实现不同浓度的CEA检测。

笔者针对目前石墨烯非共价交联剂的修饰均匀性和稳定性难以控制以及石墨烯器件制作过程中石墨烯表面污染问题,利用石墨烯表面的热失活BSA薄膜的方法,将石墨烯的修饰集成在与器件的制备工艺中。

利用失活的BSA薄膜作为石墨烯器件制作中的保护层,并利用失活BSA薄膜作为交联剂在EDC和NHS的活化下偶联Anti-CEA,并且实现稀释血清中CEA蛋白的检测。

通过这种Nano-dBSA的修饰可以对不同的2D纳米材料进行功能化,可以为生物传感器的构建提供简单、便捷与可靠的方法。

作者简介

毛红菊

(本文通讯作者)研究员、博士生导师中国科学院上海微系统与信息技术研究所

主要从事生物传感器纳米技术用于生物大分子检测的研究工作。

作为项目负责人和科研骨干,曾承担了国家973计划项目、863计划项目、中科院创新工程重大项目、国家自然科学基金和上海市重大项目等30多个重要项目。现为国家自然科学基金项目、国家重点研发计划课题负责人。

近年来在Nano Letters, Clinical Chemistry,Biosensor and Bioelectronics等本领域主流期刊及国内外会议发表文章100余篇,作为主要申请人申请及授权专利40余项,参编专著和教材5部。

E-mail: hjmao@mail.sim.ac.cn

周麟
(本文第一作者)中国科学院上海微系统与信息技术研究所
主要研究纳米技术在生物医学中的应用纳米技术生化传感器以及微流控芯片的研究
已在Biosens Bioelectron,Langmuir等杂志论发表文多篇。
E-mail: zhoulinzlw@mail.sim.ac.cn
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