一氧化氮既是信使分子又是神经递质,可以接收和传达信息以调节细胞活性,并且指示机体执行某些重要功能,例如神经传递、血管舒张、免疫应答和血管生成等。研究发现一氧化氮不但在动物的免疫调节、神经元通讯、平滑肌松弛等活动中充当信号分子,而且参与植物的生长发育、胁迫反应、呼吸代谢以及衰老成熟等生理过程。然而,一氧化氮作为活性气体在体内以纳摩尔浓度存在,具有相对短的半衰期(<10s),且极易被氧化物或超氧化物离子氧化,使得难以精确地量化生物系统中的一氧化氮水平,因此,高效、准确、定量获取细胞及体内一氧化氮信号分子信息则是深入探索其作用机制的基础。到目前为止,许多用于一氧化氮检测的技术被应用,例如生物测定,电子磁共振光谱,鲁米诺/过氧化氢化学发光,激光诱导荧光,分光光度测定等。然而,这些方法还存在成本高、预处理复杂和灵敏度低等缺点。电化学生物传感器作为一种有效的检测工具,可以高灵敏度、实时监测一氧化氮的释放,已被广泛用于生物系统中一氧化氮的检测。然而,为实现一氧化氮检测的目的,电化学一氧化氮传感器通常需要在相对高的氧化电位(>0.6V)下操作,这会干扰固有的细胞反应或诱导来自其它电化学活性分子显著的信号干扰。与安培计电极相比,场效应晶体管纳米生物传感器由于其高信噪比可实施高灵敏、实时的监测,同时,它在相对较低的检测电位(Vds=0.1V)条件下工作,这对细胞几乎没有影响。因此,使用场效应晶体管生物传感器实时检测一氧化氮具有非常重要的意义。近年来,基于场效应晶体管生物传感器用于实时监测一氧化氮的工作已经被报道。中国科学院苏州纳米所刘立伟课题组报道了基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器检测一氧化氮气体;以色列魏茨曼科学研究院Shvarts课题组报道了一种砷化镓场效应晶体管生物传感器用于检测生理溶液中一氧化氮。然而,这些传感器的灵敏度仍然局限于微摩尔或亚微摩尔水平,且它们均未用于细胞水平的检测。最近,美国南加州大学段镶锋课题组报道了基于血红素功能化石墨烯场效应晶体管的一氧化氮传感器直接检测活细胞中释放的一氧化氮。然而,该方法未能实现单细胞水平一氧化氮的释放。细胞是生物体的基本单位,在单细胞水平的检测将增强对多种细胞过程如细胞内和细胞间通讯,细胞分化,外部刺激的生理效应和疾病状态等的认识。此外,对于诊断基于细胞的疾病,也需要开发高灵敏度的方法用于单细胞水平的检测,以获得最好的诊断能力。因此,为了实现单细胞水平一氧化氮释放的实时监测,研究高灵敏度的新型场效应晶体管生物传感器非常必要。针对以上现状和挑战,本论文立足于发展高性能场效应晶体管生物传感器以解决在单细胞水平实时监测细胞释放的一氧化氮。在本工作中,我们发展了一种基于还原氧化石墨烯和铁卟啉功能化石墨烯的场效应晶体管生物传感器,用于在单细胞水平超灵敏和高效率实时监测一氧化氮。将还原氧化石墨烯和金属铁卟啉通过π-π堆叠作用层层组装在事先制备好的石墨烯场效应晶体管生物传感器沟道表面构建卟啉功能化的石墨烯场效应晶体管生物传感器,由于石墨烯良好的导电性和卟啉分子对一氧化氮特异的催化性能,该传感器能实现对一氧化氮超灵敏和高特异性的检测。实验证明,该生物传感器展现出了优良的导电性和高催化性能,能够实时监测1pM至100nM范围内的一氧化氮,检测限可低至1pM,同时还实现了在单细胞水平超灵敏和高特异性实时监测人脐静脉内皮细胞释放的一氧化氮。因其具有微型化、超灵敏和快速响应特性,该生物传感器在生物应用和临床诊断方面有很大潜力。