应用于生物传感的脉冲涡旋晶格刻蚀图案化石墨烯研究

For promoting the development of graphene-based biosenors, we will do the research on both the patterning of graphene with pulsed vortex lattices and the biosensing applications of patterned graphene in this project, based on the achievements in the advanced fields including vortex lattice, laser ablation and graphene functionalization. First, we will study how the parameters, e.g., vorticity, pulse width, of isolated pulsed vortex influence the structure of monolayer/bilayer graphene, probe into the dynamic mechanism of the interaction between optical vortex and graphene within the ablation processes, and measure the ablation thresholds of monolayer/bilayer graphene. Then, we will experimentally generate various pulsed vortex lattices of high-order by adjusting the spatial distributions of the multiple interfering pulse beams or the pinhole positions of a multi-pinhole interferometer, and pattern monolayer/bilayer graphene using such generated pulsed vortex lattices. Finally, we will apply the patterned graphene as sensing element of biosensors, and analyze both their sensitivity and their specificity. Our researches aim to understand the interaction between graphene and pulsed vortex, improve the efficiency of graphene patterning while decrease the dependence of ablation on translation stage accuracy, and increase both the sensitivity and the specificity of graphene-based biosensors. We expect this project to bring new progress in the fields of optical vortex lattice, pulsed laser etching and biosensors.

为促进石墨烯在生物传感中的应用，本项目基于涡旋晶格、脉冲激光刻蚀、石墨烯功能化等领域的研究进展，拟开展使用脉冲涡旋晶格实现单/双层石墨烯阵列图案化并进行图案石墨烯生物传感应用的研究。首先，研究单个脉冲光涡旋拓扑态、脉宽、重复频率等参数对单/双层石墨烯结构的影响，探索脉冲涡旋和石墨烯相互作用的动力学机制，并确定石墨烯烧蚀阈值。继而，研究通过多束脉冲激光空间排布或多孔干涉仪结构的调整产生高阶无衍射脉冲涡旋晶格的方法，并使用脉冲晶格对石墨烯进行阵列图案化。最后，将阵列图案化的石墨烯作为传感元件应用于生物传感器，研究图案化对传感灵敏度、特异性以及生物官能团修饰石墨烯难度等的影响。通过本项目的开展，我们希望能够明确脉冲涡旋与石墨烯的作用机理，降低激光刻蚀石墨烯对移动平台精度的依赖并提高石墨烯图案化的效率，提升生物传感器灵敏度和识别特异性，促进涡旋晶格、脉冲激光刻蚀和生物传感等领域的新进展。

本项目基于光学涡旋、光与物质相互作用、生物传感等领域的研究成果，使用数值模拟和实验相结合的方法，按计划研究了基于超颖表面的高阶无衍射涡旋晶格的形成以及石墨烯在生物大分子检测方面的应用。本项目研究了超短脉冲涡旋与材料表面的相互作用；设计了具有波前调控功能的金膜-石英超颖表面，使得透过该超颖表面的光场间具有特定的相位差并向预先设定的方向偏折，从而在各透射光相互干涉的区域干涉形成无衍射光学涡旋晶格；设计超颖表面产生了具有特殊相位分布的Kagome光学晶格。这种设计解决了产生涡旋晶格的传统光学系统构造复杂、体积庞大的缺陷，实现涡旋晶格产生体系的微型化和可集成化。本项目设计了基于多导电通道单层石墨烯膜的生物传感器，用于分析非编码RNA核糖开关GR和电中性低分子量配体(GUA, 6GU, 2BP, XAN)之间结合信息的G-FET生物传感器，并应用于检测小分子ATP以及定量分析伊马替尼药物与其激活酶之间亲和力。实现了对RNA、ATP的无标签测定；并将检测极限提升到fM量级。在本项目的资助下，已发表研究论文10篇，其中SCI一区3篇，二区1篇，三区3篇，四区3篇；一项国家发明专利正在实质审查阶段；参与培养研究生3名。本项目完成了研究计划。