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
互补 DNA（complementary DNA, target DNA），水溶液
检测原理
该传感器采用 Kretschmann 型 SPR 成像结构：633 nm TM 偏振光经 SF10 棱镜入射到铬/银膜界面，在固定入射角下激发银膜表面等离子体，反射率随传感介质折射率变化。ss-DNA 探针固定于石墨烯/银表面，靶 DNA 与探针杂交形成 ds-DNA 结合层，使界面折射率从约 1.462 逐渐升高。结合层折射率变化改变 SPR 反射率，系统通过成像读取反射率变化。银膜具有比金膜更尖锐的 SPR 曲线，因而灵敏度更高；石墨烯阻隔氧气，防止银氧化，同时单层/少层石墨烯对灵敏度损失较小。该过程无标记、无酶放大，信号随靶 DNA 结合量近似线性变化。
检测灵敏度
峰值成像灵敏度 S: 3.82（60 nm Ag，无石墨烯）；S: 0.68（56 nm Au）；40 nm Ag 峰值灵敏度 1.653，40 nm Au 0.483；单层石墨烯/银为金的 3.5 倍，双层为 2.1 倍；DNA 杂交反射率变化: 0.043（石墨烯/银）vs 0.012（金）；R = 0.9999
效应效果
该文为数值模拟研究，未报告选择性、抗干扰、稳定性、RSD 或实际样品回收率。模拟显示，40 nm 银膜峰值成像灵敏度为 1.653，40 nm 金膜为 0.483，银膜约为金膜 3.4 倍；60 nm 银膜无石墨烯时峰值灵敏度达 3.82，为 56 nm 金膜 0.68 的 5.6 倍。单层石墨烯/银基底比金膜高 3.5 倍，双层高 2.1 倍；DNA 杂交反射率变化为 0.043，金膜为 0.012，约 3 倍，且 R=0.9999，线性良好。作者认为石墨烯可防止银氧化，该基底有望用于灵敏、高通量、多通道生物分子相互作用检测。
传感器的构成
- 基底/换能器：SF10 玻璃棱镜（SF10 prism），提供 Kretschmann 型 SPR 激发与光路
- 粘附层：2 nm 铬（Cr），增强银膜与棱镜附着
- 换能金属层：60 nm 银膜（Ag），产生尖锐 SPR 曲线并提高成像灵敏度
- 保护/修饰层：单层或少层石墨烯（graphene），阻隔氧气防止银氧化，同时维持高灵敏度
- 识别元件：固定化单链 DNA（ss-DNA）探针，与互补靶 DNA 杂交
- 靶标结合层：互补双链 DNA（ds-DNA）结合层，厚度约 3 nm，折射率随杂交程度变化
- 信号读出：633 nm TM 偏振光在固定入射角下反射率成像，SPR 成像仪读取反射率变化
中文摘要
本研究利用石墨烯的高不可渗透性和银膜尖锐的表面等离子共振（SPR）曲线，通过数值模拟证明石墨烯/银基底 SPR 成像生物传感器可在显著提高成像灵敏度的同时防止银氧化。结果表明，在银膜上沉积少量石墨烯层可显著提升成像灵敏度，优于传统金膜 SPR 成像生物传感器。特别是，在 60 nm 厚银膜上沉积单层石墨烯可使 SPR 成像信号放大 3 倍以上。该结构以固定入射角反射率成像方式监测 DNA 杂交等界面结合事件，具有无标记、实时和多通道并行检测潜力，有望为多种生物分子相互作用的灵敏、高通量检测提供新的可能。
英文摘要
Taking advantage of the high impermeability property of graphene and the sharp surface plasmon resonance (SPR) curve of silver, we numerically demonstrate that SPR imaging biosensors with a graphene-on-silver substrate can be used to achieve the dramatically high sensitivity as well as to prevent silver oxidation. Results of our numerical study show that a silver substrate with a few graphene layers can significantly increase the imaging sensitivity, compared to the conventional gold-film-based SPR imaging biosensor. In particular, single layered graphene deposited on the 60-nm thick silver film amplifies the SPR imaging signal more than three times. Therefore, the proposed SPR substrate could potentially open a new possibility of SPR imaging detection for sensitive and high-throughput assessment of multiple biomolecular interactions.