用于肝细胞功能蛋白检测的石墨烯光电生物传感器研究

There are hundreds of millions of liver disease patients in China, accounting for half of the world's liver disease patients. Hepatocyte-based therapy is a new and effective method for the treatment of liver diseases. As the main source of hepatocyte, the liver-specific function of hepatocytes in vitro culture needs to be evaluated. However, the traditional method of cell function detection has complicated detection process and high cost, and it is difficult to reflect the functional dynamics of cell culture in real time. Due to these challenges, this project intends to use the photoelectric properties of graphene combined with the plasmon resonance effect of gold nanoparticles, and introduces photoelectric coupling mechanism to build a graphene photoelectric biosensor. This novel biosensor can provide a solution for the problems of charge shielding and long-term stability that are plagued by purely electric graphene field effect transistors. Beside, this graphene photoelectric biosensor could be integrated with the hepatocyte culture platform to achieve real-time, continuous, rapid and high-sensitive detection of functional proteins through the photoelectric coupling effect, providing a basis for the analysis of the secretion behavior of various functional proteins in hepatocytes. The research results of this project will provide a new technology for the establishment of an efficient, real-time, and convenient monitoring of the functional status during the hepatocyte culture, which has important application value and significance in the hepatocytes-based treatment.

中国有数亿的肝病患者，占到了世界肝病患者的半数，而基于肝细胞的疗法是目前肝病治疗中全新而有效的方法。作为肝细胞来源的主要途径，需要对体外培养中肝细胞的肝脏特异性功能进行评估，而目前传统的细胞功能检测方法存在检测过程繁琐，成本较高，难以实时反映细胞培养过程中的功能动态变化等问题。本项目拟利用石墨烯光电特性结合纳米金表面等离子共振效应，引入光电耦合机制构建石墨烯光电生物传感器，可以解决纯电学石墨烯场效应管所困扰的电荷屏蔽以及长期稳定性的问题，并将石墨烯光电生物传感器与肝细胞培养平台集成，通过光电耦合效应实现功能蛋白实时连续、快速以及高灵敏度的检测，为肝细胞多种功能蛋白分泌行为分析提供依据。本项目的研究成果将为建立高效、实时、便捷的肝细胞培养功能状态监测提供新技术，在肝细胞治疗中具有重要的应用价值和意义。

中国有数亿的肝病患者，占到了世界肝病患者的半数，而基于肝细胞的疗法是目前肝病治疗中全新而有效的方法。作为肝细胞来源的主要途径，需要对体外培养中肝细胞的肝脏特异性功能进行评估，通过电学生物传感的构建可以改变细胞功能检测方法存在检测过程繁琐等问题。.本项目的研究内容主要包括三个方面的内容：（1）基于黑磷（Black Phosphorus，BP）纳米材料的光纤生物传感器构建；（2）构建用于干细胞功能相关蛋白的检测平台；（3）设计高灵敏度的石墨烯光电器件，并利用石墨烯光电器件实现了生物分子的检测。.本项目所构建的基于黑磷纳米材料的光纤生物传感器，首次通过逐层堆叠技术实现了黑磷纳米材料对大角度倾斜光栅光学特性的调控，并且实现生物分子在1.0pg/mL量级的检测，相比于同类型的生物传感器检测灵敏度提高了100倍。此外本项目通过微纳加工制备了无线无源器件，并通过金电极表面巯基分子的修饰实现了肝细胞相关的蛋白标志物100pg/mL的检测。本项目制备了石墨烯/钙钛矿复合光电器件，并深入探讨了石墨烯/钙钛矿复合光电器件的表面调制效应，通过在玻璃衬底表面纳米金的自组装以及纳米金表面生物探针的修饰完成了生物可调制纳米光学生物传感模块，将石墨烯/钙钛矿光电器件和生物可调制纳米光学生物传感模块之间可通过医用双面胶进行集成构建石墨烯光电生物传感器，并实现了生物分子fg/mL量级的检测，可为肝细胞功能蛋白的检测提供便捷的方法。.本项目所构建的基于黑磷纳米材料的光纤生物传感器、无线无源生物传感器以及石墨烯/钙钛矿光电集成生物传感器菌具有应用于细胞分泌物以及其他生物靶标的实时监测的应用潜力。