哈工大《AMT》:超柔韧透明石墨烯可穿戴传感器，用于检测体液生物标志物

1成果简介 

　　本文，哈尔滨工业大学潘昀路教授团队在 《ADV MATER TECHNOL》期刊发表名为“An Ultraflexible and Transparent Graphene-Based Wearable Sensor for Biofluid Biomarkers Detection”的论文，研究提出了一种超柔性和透明的基于石墨烯的场效应晶体管 (GFET) 可穿戴纳米传感器，用于检测体液生物标志物。纳米传感器被一种受体功能化，该受体可以与生物标志物特异性结合，从而导致石墨烯的载体浓度发生可检测的变化。从100次变形循环（半径175µm弯曲、150 °折叠和 50%收缩）恢复后，未观察到可见的机械损伤，并且纳米传感器的电性能也高度一致。选择与各种疾病相关的 L-半胱氨酸作为生物标志物来证明传感器的检测能力。该纳米传感器能够持续可靠地检测 L-半胱氨酸，检测限为0.022×未稀释的人体汗液中为10 -6  m ，人工泪液中为0.043× 10 -6 m。该传感器由1µm透明聚对苯二甲酸乙二醇酯基板和WO 3 /Au/WO 3电极（透明度为 81%）制成，可以安装在眼珠上进行眼泪检测，而不会影响视觉。这些结果表明，超柔性和透明的 GFET可穿戴纳米传感器可能有助于医学检测应用。

2图文导读  

图1、a) 定制的可穿戴纳米传感系统的照片。b) 传感器贴合皮肤。c) 电极透明度为81%。d) 纳米传感器的示意图。漏极和源极之间的通道被石墨烯覆盖。透明电极由三层金属组成：30 nm WO 3、8nm Au 和30 nm WO 3。e) 生物标志物被石墨烯表面的受体捕获后，I ds会发生变化。

图2、a) 纳米传感器和漏极和源极之间通道的照片。b) PEMA 和石墨烯之间非共价相互作用的视觉图像。绿色部分代表 PEMA 和石墨烯之间的非共价相互作用。c) 石墨烯通道功能化前后的 AFM 图像。d) 石墨烯功能化前后的拉曼光谱。FWHM：拉曼光谱的半峰全宽。e) 在功能化之前，原始石墨烯的转移特性曲线没有随着L-半胱氨酸浓度从0到800 × 10 -6  m移动。功能化后狄拉克点从 0.13 变为 0.24 V。

图3、a) 平面、弯曲、折叠和收缩纳米传感器的照片。b) 空穴分支g m1和电子分支g m2分别是 ( V dirac -50) mV、( V dirac +50) mV 处的跨导。c,d) 平面、弯曲（半径 175 µm）、折叠（150°）和收缩（50%）纳米传感器的g m1和g m2分别。样本大小为 14。e) 石墨烯在L-半胱氨酸溶液 (0-500 × 10 -6  m ) 的纳米传感器的传递特性曲线。f) 电压漂移ΔV Dirac作为L-半胱氨酸浓度的函数的平面、弯曲、折叠和收缩纳米传感器。

图4、a) 贴在在人造眼珠上的纳米传感器的照片。b) 左边的照片是由金电极覆盖的相机拍摄的。右边的照片是由 WO 3 /Au/WO 3电极未覆盖的克丽玛拍摄的。拍摄参数：光圈 F11，快门时间为 1/1000 s，焦距为 50 mm，ISO 为 1000。c）在眼泪中，石墨烯暴露于 L-半胱氨酸溶液（0- 4800 × 10 -6 米）。d)作为眼泪中 L-半胱氨酸浓度的函数的纳米传感器的电压变化ΔV Dirac 

图5、a) 在纳米传感器和纯石墨烯传感器上实时监测葡萄糖浓度的变化作为对照。b) 计算的电流偏移 Δ I ds作为葡萄糖浓度的函数。插图：未稀释的人体汗液中 L-半胱氨酸溶液的照片。样本量为 3。

图6、PBS、Fmoc-D-Phe-OH、Fmoc-Tyr-OH、Fmoc-Ser-OH、Fmoc-L-色氨酸、Fmoc-D-Pro-OH、D-蛋氨酸和 L-半胱氨酸下的电流偏移 Δ I ds .

3小结 

　　凭借透明基板和电极，本研究的传感器有望用于隐形眼镜。GFET可穿戴纳米传感器由于厚度超薄，可以很好地贴合人体皮肤。纳米传感器的透明度为隐形眼镜提供了潜在的应用。在相应的受体功能化后，纳米传感器平台可以扩展到其他生物标志物检测。这些结果表明，超柔性和透明的 GFET 可穿戴纳米传感器可能有助于医学检测应用。

文献：

https://doi.org/10.1002/admt.202101131

信息来源：公众号【材料分析与应用】

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。