组成图示
点击图片查看大图 · 依据论文自动绘制
传感器类型
场效应晶体管(FET)生物传感器
检测对象
羧肽酶B（Carboxypeptidase B, CPB）；样品基质：PBS缓冲液（磷酸盐缓冲液）
检测原理
该传感器以石墨烯FET为换能器，功能多肽连接子作为酶底物与识别元件，AuNPs作为电荷存储信号元件。目标羧肽酶B进入PBS后特异性水解含赖氨酸的多肽连接子，使原本静电自组装在石墨烯表面的负电荷AuNPs释放。AuNPs的脱附降低界面电荷存储与栅扫过程中的电荷注入/陷阱效应，导致前后向栅压扫描中Dirac电压差ΔV_Dirac下降。离子液体BMIM-PF6作为栅介质提供高电场，银栅电极施加栅压，Keithley-4200读取源漏电流-栅压曲线。ΔV_Dirac变化幅度随酶浓度增加而增大，从而定量反映酶活性/浓度。
检测灵敏度
最低可检测浓度: 约1 μM（原文：approximately 1 μM）；测试浓度范围: 10 nM–10 μM；1 μM时ΔV_Dirac变化比: 59.2%；10 nM与100 nM在3 h暴露后ΔV_Dirac差异无统计学显著性，1 μM起出现显著差异。
效应效果
在PBS中，传感器对10 nM和100 nM羧肽酶B暴露3 h的ΔV_Dirac差异无统计学显著性，1 μM时出现显著差异，10 nM–10 μM范围内响应随浓度非线性增加；1 μM时ΔV_Dirac变化比为59.2%。时间响应显示1 μM酶液暴露50 h后ΔV_Dirac趋于饱和，10 μM暴露3 h可实现AuNPs完全解组装。选择性方面，PBS和1 mM BSA均不引起多肽底物反应或ΔV_Dirac变化。实验采用10个石墨烯结并重复10次（n=10），体现可重复性。作者认为该无标记石墨烯-AuNP杂化传感器利用AuNP介导电学迟滞，可克服石墨烯零带隙低开关比，无需固定酶，兼容常规微加工，具有酶活性检测和临床相关酶监测应用潜力。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：SiO2基底与Ti/Au源漏电极，形成石墨烯FET通道并提供电学接触。
- 石墨烯通道：石墨烯（graphene）作为二维导电通道，响应界面电荷变化并输出电导/迟滞信号。
- 表面功能化层：4-(pyren-1-yl)butanal通过π-π作用修饰石墨烯，引入醛基并增强亲水性。
- 识别/底物层：functional polypeptide linker（功能多肽连接子，含赖氨酸）通过还原胺化连接，作为羧肽酶B的底物与识别元件。
- 信号纳米层：15 nm负电荷金纳米颗粒（AuNPs）静电自组装于多肽层，存储电荷并产生栅扫迟滞。
- 栅介质：1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate（BMIM-PF6）离子液体作为栅介质，提供高离子浓度电场。
- 栅电极：银（Ag）栅电极，施加栅压并读取迟滞变化。
- 信号读出：Keithley-4200半导体参数分析仪，测量源漏电流-栅压曲线并计算ΔV_Dirac。
中文摘要
本文报道了一种基于石墨烯-金纳米颗粒杂化结构的无标记酶生物传感器。器件以SiO2基底上的Ti/Au源漏电极和石墨烯通道构成场效应晶体管，石墨烯表面先通过π-π作用接枝4-(pyren-1-yl)butanal，再经还原胺化连接含赖氨酸的功能多肽连接子，随后负电荷金纳米颗粒（AuNPs）静电自组装于多肽层上，并以1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（BMIM-PF6）离子液体作为栅介质、银电极作为栅极。当目标酶羧肽酶B（Carboxypeptidase B）存在时，其水解多肽连接子，使AuNPs从石墨烯表面释放，改变界面电荷存储，导致栅压扫描曲线中Dirac电压前后向差值（ΔV_Dirac）下降。该迟滞变化与酶浓度相关，可在PBS中实现约1 μM的最低可检测浓度，并对PBS和牛血清白蛋白（BSA）无响应。该方法无需抗体固定，利用AuNP介导的电学迟滞克服石墨烯零带隙导致的低开关比，为酶活性及临床相关酶检测提供了新策略。
英文摘要
A graphene-nanoparticle (NP) hybrid biosensor that utilizes an electrical hysteresis change to detect the enzymatic activity and concentration of Carboxypeptidase B was developed. The results indicate that the novel graphene-NP hybrid biosensor, utilizing electrical hysteresis, has the ability to detect concentrations of targeted enzyme on the micromolar scale. Furthermore, to the knowledge of the authors, this is the first demonstration of a graphene-based biosensor that utilizes a hysteresis change resulting from metallic NPs assembled on a graphene surface.