西安交大科研团队在石墨烯-纳米金字塔混合型SERS生物传感器方面取得进展

  随着后摩尔时代的到来，人们需要在硅衬底上集成更多的功能，如射频、微机电一体化系统、执行器、光电探测、生物传感等。近年来，表面增强拉曼光谱（SERS）由于其高灵敏度和分子特征振动光谱吸引了大量的研究。SERS效应能够将吸附在金属表面分子的拉曼散射强度放大几个数量级。SERS 在化学传感、食品安全、环境监测和医学等领域有着广泛的应用，能够对不同尺度的生物分子进行检测，如神经递质、DNA/RNA、蛋白质和细胞等。

  硅基MEMS工艺的不断进步也推动着SERS衬底制备工艺的不断改进。使用现代半导体纳米制造工艺制备的SERS衬底具有纳米结构排列高度均匀有序的特点，如纳米孔、纳米盘、纳米三角形和纳米金字塔等。其中纳米金字塔由于其SERS热点位于塔尖顶部，使得其有潜力对不同尺度分子进行通用性检测。然而由于制备大面积的胶体晶体仍然存在困难，使得以胶体光刻为基础的纳米金字塔阵列的大规模制备面临很大的挑战。此外，石墨烯作为一种典型的二维材料，可以通过覆盖金属纳米结构进一步增强SERS效应。石墨烯/贵金属纳米颗粒的复合结构已经被证明可用于生物分析物的检测和相关疾病的研究，如癌细胞检测，miRNA传感，葡萄糖检测等。石墨烯-金属混合系统具有极大的优越性，原因在于石墨烯（i）能提高基底的生物相容性；(ii) CM增强能够进一步提高SERS衬底的全局增强因子约10~10²倍；(iii)能够有效地保护贵金属纳米颗粒，防止氧化；(iv) 石墨烯的拉曼峰可用于定量评价SERS衬底的增强效果。

 西安交通大学电信学部电子学院电子陶瓷与器件教育部重点实验室任巍教授、牛刚研究员课题组联合西北大学医学院院长、西京医院神经内科主任医师赵钢教授课题组组成的医工交叉团队长期从事将SERS光谱和人工智能应用于生物传感方面的研究。该团队最新在Sensors and Actuators: B. Chemical（中科院分区：1区）期刊上发表题为“Highly sensitive label-free detection of analytes at different scales using uniform graphene-nanopyramids hybrid SERS system”的研究论文。研究使用Langmuir-Blodgett 方法、胶体光刻和现代半导体纳米制造工艺制备了大面积高度均匀和灵敏的石墨烯-纳米金字塔混合型SERS系统。该混合系统成功实现了对不同尺度分析物的通用性无标记检测，包括纳米尺度的化学小分子和生物大分子蛋白质以及微米尺度的临床脑脊液细胞，并表现出高灵敏度、均匀性的特点。通过结合主成分分析方法，对临床患者脑脊液中的红细胞和白细胞SERS光谱实现了高特异性的分类识别。研究成果对于SERS方法在化学物质、生物传感和医学方面的通用性无标记检测具有重要意义。

  西安交通大学博士生武和平为该论文第一作者，西安交通大学牛刚研究员、任巍教授和西北大学赵钢教授为该论文通讯作者。论文获得了包括国家自然科学基金、陕西省重点研发计划等项目的资助。

图1 石墨烯-金字塔混合型SERS衬底制备流程与表征

  在该研究中，石墨烯-纳米金字塔混合型衬底采用胶体光刻和半导体纳米制造工艺制备。胶体光刻基于在4英寸Si晶圆上制备的密集有序排列的单层聚苯乙烯（PS）微球，直径为500 nm。其次，依次通过氧离子刻蚀PS微球，电子束蒸镀Cr掩模，ICP干法刻蚀SiO₂，KOH湿法刻蚀Si (001)，湿法剥离SiO₂和Cr层，磁控溅射Au层，环氧树脂转移剥离金纳米金字塔的工艺，制备得到了具有大面积、高度均匀的纳米金字塔阵列。最后将铜上石墨烯转移到金字塔表面，制备得到石墨烯-纳米金字塔的混合型SERS增强衬底。

图2 石墨烯混合型SERS衬底对不同尺度测试物的测试结果

  测试结果显示，所述石墨烯-纳米金字塔混合系统具有均匀、灵敏的SERS增强能力；石墨烯单层将SERS增强因子提高了约20倍，有效防止了纳米金字塔的氧化，同时提高了该混合系统的定量分析能力。混合系统对有机物小分子罗丹明6G和亚甲基蓝的SERS增强因子达到了10⁹倍（与普通拉曼相比）。对生物大分子过氧化氢酶和溶菌酶的检测限都达到了10^-10 M。不局限于纳米尺度分子的测试，使用所述金字塔结构衬底实现了对微米级细胞的检测。在不借助染色固定的情况下，成功获得了来自临床脑脊液样本中红细胞和白细胞的拉曼指纹，并结合主成分分析方法实现了两类细胞光谱的分类。上述结果证明了所述混合系统在超低浓度生物标志物（≤10^-10 M）和无标记细胞检测识别方面的巨大潜力。

时域有限差分仿真结果显示，混合系统的实验测试增强因子与理论计算值吻合良好。

图3 不同研究衬底的三维时域有限差分（FDTD）电磁场分布仿真

 综上所述，本研究制备的大面积均匀石墨烯-纳米金字塔混合型SERS系统对不同尺度化学和生物分子的检测表现出极高的灵敏度和通用性，在无标记生物传感检测方面具有巨大潜力。

  此次发表的研究成果系任巍教授、牛刚研究员和赵钢教授带领的医工交叉团队在生物传感领域长期研究取得的系列成果之一。在此之前，团队于2020年在Langmuir期刊上发表了题为“Crucial impact of hydrophilicity on the self-assembled 2D colloidal crystals using Langmuir–Blodgett method”的封面论文，通过优化工艺制备了高质量的聚合物纳米微球胶体晶体，为后续通过胶体光刻和MEMS工艺制备高度均匀的石墨烯混合型SERS系统奠定了基础，博士生武和平为第一作者。团队进而于2021年在ACS Applied Nano Materials期刊上发表了题为“Detection of K562 leukemia cells in different states using a graphene-SERS platform”的研究论文，西安交通大学博士生姜陆月为该论文第一作者。该论文报道了石墨烯混合型SERS系统对液体中癌细胞的状态的有效探测与识别，从分子水平上阐释了癌细胞的特征光谱随时间变化的原因，该方法在白血病诊断和白血病药物开发方面具有巨大潜力。

文献信息

1. Heping Wu, Gang Niu*, Wei Ren*, Luyue Jiang, Jinyan Zhao, Yi Quan, Matthew Xinhu Ren, Wenjin Yu, Yijun Zhang, Xinhao Cao, Yangyang Liu, Ruihua An, Liyan Dai, Zhe Wang, Libo Zhao, Zhen Xie, Gang Zhao*. Highly sensitive label-free detection of analytes at different scales using uniform graphene-nanopyramids hybrid SERS system. Sens. Actuator B Chem., 2022, 354. DOI: 10.1016/j.snb.2021.131205.

2. Heping Wu, Gang Niu*, Wei Ren*, Luyue Jiang, Owen Liang, Jinyan Zhao, Yangyang Liu, and Ya-Hong Xie*. Crucial impact of hydrophilicity on the self-assembled 2D colloidal crystals using Langmuir–Blodgett method. Langmuir 2020, 36, 34, 10061–10068. DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c01168.

3. Luyue Jiang, Gang Niu*, Heping Wu, Jinyan Zhao, Yangyang Liu, Zhen Xie, Qian Yao, Wenjin Yu, Wei Ren*, and Gang Zhao*. Detection of K562 leukemia cells in different states using a graphene-SERS platform. ACS Appl. Nano Mater. 2021, 4, 9, 8972–8978. DOI:10.1021/acsanm.1c01574.

团队介绍 

牛刚，西安交通大学研究员，博士生导师，德国“洪堡学者”、陕西省特聘专家，电子学院副书记，铁性材料与集成器件研究所副所长。IEEE高级会员、中国电子学会高级会员。

曾获德国国家研究基金会 “DFG-Mercator学者”和中国电子学会优秀科技工作者等称号。长期从事“后摩尔”功能薄膜与硅的异质集成和非易失性存储器件的研究。主持10余项由国家自然科学基金委、德国国家研究基金会和陕西省重点研发计划等资助的研究项目。

已发表学术期刊论文100余篇，H因子26。撰写Elsevier出版的英文书籍《Molecular beam epitaxy》一章，翻译出版了高教社图书《晶体生长初步》。授权发明专利8项。近5年来在MRS、EMRS、ECS、SPIE和IEEE-ICICDT等国际会议上做特邀报告20次，多次担任EMRS等国际会议的科学委员会委员及分会主席。担任期刊Nano Express编委和Microelectronic Engineering的客座编辑。

研究方向：

“后摩尔”(More than Moore) 材料与器件：

1. 功能性氧化物纳米外延薄膜与硅的集成

2. 基于非易失性存储的人工突触器件

3. 二维材料（石墨烯、二硫化钼等）与半导体及多铁纳米结构的混合系统

4. 基于表面增强拉曼光谱和人工智能的生物传感及其应用

电子邮箱：gangniu@xjtu.edu.cn

联系电话：029-82668605

办公地址：兴庆校区 教二南楼

个人主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/gangniu

任巍，现任西安交通大学国家级特聘教授，电子科学与工程学院博士生导师，西安交通大学“领军学者”、西安交通大学国际电介质研究中心执行主任，电子学院铁性材料与集成器件研究所所长。

先后承担了“863”项目和“973”课题、国家自然科学基金重点和面上项目以及科技部国家国际科技合作专项等项目，已发表学术论文300余篇，获中国发明专利30项和美国发明专利1项。

现任国际铁电学顾问委员会委员、IEEE高级会员、IEEE-UFFC学会铁电委员会委员、IEEE-UFFC学会超声程序委员会TPC5委员和亚洲铁电联盟执委会委员。任巍教授现任中国物理学会电介质物理专业委员会秘书长、曾任国务院学位委员会第六届学科评议组电子科学与技术组成员、全国博士后管委会第七届专家组委员、中国物理学会电介质物理专业委员会主任委员。任巍教授也是多个国际会议的组织委员会和程序委员会的委员，并多次在国际会议上做特邀报告。曾获教育部科技进步二等奖（第一完成人）、中国高等学校发明奖二等奖和中国计量测试学会二等奖。

研究方向：介电铁电薄膜、集成传感器与执行器、铁电MEMS、铁电材料与器件，材料组成、结构与性能关系，基于表面增强拉曼光谱和人工智能的生物传感及其应用

电子邮箱：wren@xjtu.edu.cn

联系电话：029-82666873

办公地址：兴庆校区 教二南楼

赵钢，主任医师、教授、博士生导师。现任西北大学医学院院长、神经病学系主任、脑科学与类脑科学研究中心主任。曾任第四军医大学西京医院神经内科教授，科室副主任、主任，神经精神病学教研室主任，脑科医院副院长。国务院特贴专家，中央军委保健委会诊专家，国家神经内科医疗质量控制中心专家，陕西省委保健委专家，三秦学者特聘专家，国家重大新药创制计划科技重大专项课题和国家重点研究计划精准医学重点课题首席专家。兼任中华医学会神经病学分会副主任委员，中国医师协会神经内科医师分会副会长，中华神经科杂志副总编辑，中国卒中学会移动医疗分会主任委员，英文杂志Neuroimmunology and Neuroinflammation主编和多家中英文杂志的编委。

一直致力于脑血管病和神经系统感染性疾病的临床和基础研究工作。主持脑脊液细胞学临床与基础研究，获军队医疗成果二等奖。发明了改良抗酸染色法，被国际权威杂志评论为结核性脑膜炎诊断三大进展之首。主持了我国《结核性脑膜炎诊治指南》和《隐球菌脑膜炎诊治指南》的撰写和发布。主导建立了中国神经感染性疾病研究协作网、脑脊液细胞学联盟和脑脊液联库，获得了国家首批重点研究计划精准医疗重点课题“基于组学特征谱的脑（膜）炎分子分型诊断”的资助。牵头完成了军队“十一五”和“十二五”重点科研课题，获军队科技进步一等奖。牵头完成了国家“十一五”重大新药创制计划科技重大专项课题“人参皂苷Rd注射液治疗急性脑梗死的三期临床研究”课题，获中国中西医结合学会科学技术二等奖。参与了“心脑保护的关键分子机制及围术期心脑保护新策略”课题研究，获国家科技进步一等奖。主持了《中国眩晕诊治的专家共识》2010版和2016版的撰写和发布。

获国家发明专利10项，发表论文200余篇，其中国外SCI论文100余篇，主编和参编专著十余部。1994年获“中国青年医师年度奖”，2011年获“军队院校育才银奖”，2016年获“中国杰出神经内科医师奖”。

研究方向：脑血管病与神经系统传染病、人工智能及其应用、生物传感。

电子邮箱：zhaogang@fmmu.edu.cn

办公地址：西北大学 文博学院