石墨烯表面探针蘸笔术诱导的仿生磷脂分子膜修饰及磷脂分子组装行为的研究

Functionalizing the Graphene by lipid membrane is an effective way to offer a native biological environment to keep biological detector molecule activity and it is of high important significance to keep high sensitivity and selectivity of the sensors. However, some challenges still remain, such as the stability, detection barrier in the standing membrane structures and the detailed interface interaction between lipid molecule and graphene is still unambiguous. Here, in this project, we fabricate the membrane structure on the graphene with lying phase by Lipid-pen lithography. We will mainly focus on the film morphology analysis especially in the single molecule scale to demonstrate the new strip structure in lipid film and understand the organization mechanism combined with Raman characterization. Besides, we hope to explore and develop the potential advantage of the new lipid layers in FET sensor application.

在石墨烯生物传感应用中，采用磷脂分子膜结构来修饰石墨烯界面，不仅是一种提供原生生物界面环境，保证信号感受分子的活性的有效办法，同时磷脂分子与石墨烯之间的界面相互作用可以对石墨烯的能级特性产生可控的调节，进而使相应的石墨烯基生物传感器具有更好的选择性和灵敏性。然而目前通过各种方法实现的磷脂分子在石墨烯上的立式膜结构存在稳定性差、检测干扰大等问题，并且磷脂分子在石墨烯界面处的组装机理依然非常模糊。在本项目中，我们借助探针蘸笔术在石墨烯的表面构筑了的磷脂分子膜结构，制备了不同于立式结构的平放式膜构型。我们将借助原子力高分辨成像技术以及拉曼等辅助手段，揭示分子的组装行为及其与石墨烯的界面相互作用。另一方面，通过制备不同磷脂分子层修饰的石墨烯FET器件，探索新构型的磷脂膜在检测器件应用中的潜在优势，以期望发展一种更为灵敏的生物检测界面。

脂质分子是构成细胞膜的主要结构支撑，采用细胞或者仿生的脂质双分子膜结构来修饰不同的基底界面，可以为研究不同外界载体与生物体系如蛋白或者细胞作用时（生物分子检测或者药物跨膜运输）提供一种相对的界面原生环境。系统研究脂质分子在基面上的组装行为，特别是脂质分子与底物表面的相互作用，对于设计生物活性的高灵敏的检测和传感器件具有重要意义。在该项目中，我们利用探针蘸笔术图案化技术在不同基面上制备了脂质分子膜，并系统地分析研究不同基面上的分子膜结构及成膜机理，主要内容包括：（1）发现并系统研究了脂质分子在高定型石墨表面（HOPG）形成的晶型组装结构，揭示了表面的粗糙度、基面晶格诱导作用及浸润性对脂质分子组装行为的协同调控作用；（2）探究了不同类型的脂质分子组装结构对环境湿度的响应，证明了头-头式及半胶束结构的脂质分子膜具有更强的结构稳定性；（3）开发了一种利用探针刻蚀图案化技术制备微型器件阵列的方法。该研究中对脂质分子组装行为及与基面的相互作用以及不同组装结构稳定性的研究结果对于探究其他的生物质，如蛋白质、色团、粒子等对象与界面之间的作用行为具有重要的意义。更重要的是，该研究中发现的脂质分子与晶格结构表面表现出的强耦合作用，以及高精准定位、高加工精度的探针刻蚀器件加工方法对于开发和制备更为灵敏的生物检测传感器等具有非常重要的应用价值。