二维材料作为原子厚度的新型纳米材料,其巨大的比表面积以及优异的物理特性得到了广泛的关注。以石墨烯(Graphene)和二硫化钼(Molybdenumdisulfide,MoS2)作为代表的二维层状材料在电子、光电子、传感等领域开展了大量的研究。作为一种零带隙半导体,石墨烯表现出了双极化电场效应,并具有高的载流子迁移率。利用单层石墨烯的这些特性并结合高稳定性与特异性强的单链脱氧核醣核酸(DNA)适配体(Aptamer),石墨烯场效应管(Graphene Field-Effect Transistor,GFET)适配体传感器提出了无标记,高灵敏度的生物传感形式。但是,由于石墨烯与复杂样液中的一些生物分子之间存在的非特异性吸附,目前大部分基于石墨烯场效应管的生物分子的检测还是局限于缓冲溶液中或者经过预处理的生理样液,不能用于人体样液的检测。作为一种能够有效地研究DNA适配体与生物分子异性结合的动力学有力的工具,石墨烯场效应管目前针对特异性结合动力学受环境的影响,比如盐离子的浓度和温度对其的影响的研究还非常有限。此外,在小生物分子检测方面,低分子量和低带电量使得石墨烯场效应管在小生物分子直接测量方面仍面临着挑战。本文针对石墨烯场效应管在生物分子检测中存在的一些缺点与不足,进行了如下的研究:(1)石墨烯GFET传感器人体血清中的蛋白质检测。在不改变传感器本身结构的同时,通过在石墨烯表面修饰聚乙二醇(PEG)与DNA适配体这种方法,一方面,适配体可以很好地与目标生物分子特异性的结合;另一方面,PEG能够有效地防止血清中背景生物分子在石墨烯表面的非特异性吸附,并且能够有效提高石墨烯邻近区域的的德拜长度(Debyelength)。文中提出的方法成功地实现了石墨烯场效应管传感器人体血清中生物分子的检测。(2)基于石墨烯GFET传感器适配体与蛋白质结合动力学的检测。利用石墨烯场效应管传感器来研究DNA适配和生物分子亲和力结合动力学尤其是盐离子浓度与温度对其的影响。本文通过表征的结合动力学和热力学的参数,研究了环境因素对结合动力学影响及其机理。(3)基于长链DNA适配体石墨烯GFET生物传感器低电量小分子的直接测量。由于DNA在溶液中带有大量的负电荷,当适配体和生物分子特异性结合时会产生巨大的空间构象的变化。因此,通过长链适配体空间构象的的变化而非生物分子自身的带电量来调节石墨烯的电导率这一原理,提出了实现低带电量小生物分子的检测全新的方法。不同于石墨烯的零带隙,二硫化钼为二维过渡金属硫化物(Transition Metal Dichalcogenides,TMDs)家族的一员具有带隙的二维纳米材料,尤其单层二硫化钼拥有直接禁带这一属性,在光照条件下具有高吸收系数并有效地形成电子空穴对从而具有很好的光致发光效率和光电转换的效率。因此,本文分别了探究了单层二硫化钼生物传感和光电探测的技术,其主要内容包括:(1)基于石墨烯/二硫化钼异质结的生物分子的多模态检测。首次通过制备石墨烯/二硫化钼异质结来实现在单个器件上实现多模态的生物传感,即基于石墨烯场效应管的电化学法、异质结的光致发光法以及形成的石墨烯同质节的光伏法这三种检测的方法。多模态的生物检测使得整个传感器具有了较高的检测精度,并能够有效地拓展了生物分子检测的线性范围。(2)基于氧等离子体表面缺陷修复的二硫化钼光电探测性能的增强。由于二硫化钼在制备过程中会产生一定的硫空穴缺陷,这很大程度上影响了二硫化钼的光电转换效率。本文提出了通过等离子体对其进行表面处理来修复二硫化钼表面的硫空位,从而提高了二硫化钼的载流子迁移率,并最终增强了其光电探测的性能。