组成图示
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传感器类型
表面等离子共振(SPR)生物传感器
检测对象
生物分子（biomolecules，如单链DNA/ssDNA）；样品基质：水（water）
检测原理
He-Ne 激光经 SF10 棱镜以 ATR 方式入射，在 Au 表面激发表面等离子极化激元（SPP）。当 ssDNA 等含碳环生物分子通过 π-堆积吸附到石墨烯层时，在石墨烯/水界面形成厚度约 z0=100 nm 的吸附层，引起局部折射率变化 Δn。该折射率变化改变 SPP 传播常数，使 SPR 角/ATR 反射谷发生偏移。石墨烯一方面作为识别元件提高吸附效率 E（γ倍），另一方面其介电性质改变 SPP 场分布，提高折射率灵敏度 SRI。总灵敏度 S=ΔP/ΔM=(ΔP/Δn)(Δn/ΔM)，随 L 增加约 (1+0.025L)γ 倍。该方案无酶、无标记，信号放大来自石墨烯吸附增强和光学调制。
检测灵敏度
SRI: 52 (L=0)；SRI: 53.2 (L=1)；∆SRI_L/SRI0: 25% (L=10)；总灵敏度: (1+0.025L)×γ
效应效果
该文为理论/仿真研究，未报告实际样品回收率、RSD、抗干扰或稳定性数据。仿真显示，单层石墨烯使折射率灵敏度从 52 提高到 53.2；10 层石墨烯使折射率灵敏度增强约 25%；总灵敏度相对传统金 SPR 提高 (1+0.025L)γ 倍，若 γ=4 则约 5 倍，γ=2 则约 2.5 倍。作者认为石墨烯通过 π-堆积稳定吸附含碳环生物分子，并因光学性质改变 SPP 场分布，可提升 SPR 灵敏度；石墨烯/金已可通过转移印刷制备，概念易于实现。需注意增加石墨烯层会加宽 SPR 曲线，可能增加测量难度。
传感器的构成
- 基底/换能器：SF10 玻璃棱镜（n=1.723），承载金膜并通过 ATR 激发表面等离子极化激元（SPP）
- 金属换能层：金薄膜（Au，50 nm），支持 SPP 传播并产生 SPR 反射信号
- 纳米材料修饰层：石墨烯片（graphene，L 层，厚度 L×0.34 nm），覆盖于 Au 表面，作为生物分子识别元件（BRE）吸附 ssDNA 等含碳环生物分子
- 传感介质：水（water，n=1.33），提供生物分子扩散与吸附环境
- 信号读出：He-Ne 激光（λ0=633 nm）与 ATR 反射强度/SPR 角检测，输出 SPR 曲线
中文摘要
本文提出一种基于表面等离子共振（SPR）的石墨烯生物传感器。该传感器由金薄膜表面覆盖石墨烯片构成，采用衰减全反射（ATR）方式探测传感界面附近因生物分子吸附引起的折射率变化。计算表明，含 L 层石墨烯的石墨烯/金 SPR 传感器相对于传统金薄膜 SPR 传感器的灵敏度提高 (1+0.025L)×γ 倍，其中 γ>1 表示石墨烯增强生物分子吸附的效率因子。灵敏度提升来自两方面：石墨烯通过 π-堆积作用稳定吸附含碳环结构生物分子，提高吸附效率；石墨烯的光学性质改变表面等离子极化激元传播特性，提高对折射率变化的响应。以 He-Ne 激光 633 nm、棱镜|金 50 nm|石墨烯|水体系为例，单层石墨烯使折射率灵敏度由 52 增至 53.2，10 层石墨烯可使折射率灵敏度增强约 25%。该设计有望提高 SPR 生物传感器检测性能。
英文摘要
A surface plasmon resonance (SPR) based graphene biosensor is presented. It consists of a graphene sheet coated above a gold thin film, which has been proposed and experimentally fabricated recently [ChemPhysChem 11, 585 (2010)]. The biosensor uses attenuated total reflection (ATR) method to detect the refractive index change near the sensor surface, which is due to the adsorption of biomolecules. Our calculations show that the proposed graphene-on-gold SPR biosensor (with L graphene layers) is (1 + 0.025 L) x gamma (where gamma > 1) times more sensitive than the conventional gold thin film SPR biosensor. The improved sensitivity is due to increased adsorption of biomolecules on graphene (represented by the factor gamma) and the optical property of graphene.