專利名稱：一種生物傳感器及其制備方法和采用該傳感器的檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及生物傳感器，特別涉及一種生物傳感器及其制備方法和采用該傳感器的檢測 裝置。
背景技術：
生物傳感器由于其優(yōu)異的選擇性和較高的靈敏度，在臨床、食品、生物、環(huán)保檢測等領 域具有廣闊的應用前景。場效應晶體管生物傳感器(FET)是傳感器中很重要的分支。場效應管生物傳感器是生物功能性膜代替絕緣柵場效應管的金屬柵電極，生物功能性膜 與溶液或氣體界面的電位(或電荷)變化，反應到漏極的電流變化，從而實現(xiàn)檢測的目的。 隨著近年來微制作技術的發(fā)展，F(xiàn)ET生物傳感器被認為是發(fā)展微型生物傳感器的有效手段。目前所報道的FET生物傳感器大多利用LB膜技術，在FET絕緣柵極上涂覆一層或多層 生物功能材料，或在硅片上用制作集成電路的方法，把幾種敏感器件集成在一起，獲得多功 能的生物敏感場效應晶體管。生物敏感膜的制備非常關鍵，目前發(fā)展的多種生物功能物質固 定化技術比如吸附法，交聯(lián)法，包埋法，共價鍵合法等方法各有優(yōu)缺點，在實際的生物功能 物質固定化過程中，常常需要根據(jù)具體情況，對各種方法靈活運用，在檢測過程中對溫度、 溶液pH值、樣品量等條件也需加以嚴格控制。因此，場效應管生物傳感器還有待改進和發(fā) 展，以提離器件的可靠性、穩(wěn)定性和實用性。自從1991年碳納米管發(fā)現(xiàn)以來，由于其獨特的一維納米線結構和電學性質，使其在電子 器件材料方面有著不可估量的應用前景。近年來各國科學家開展了基于碳納米管的場效應晶 體管傳感器的研究。目前，基于碳納米管的生物傳感器還處于實驗室試驗階段。制作方法首 先在硅片上生長碳納米管陣列，然后再構建場效應管生物傳感器，這種方法構建的傳感器檢 測對象單一，并且目前在芯片上制備碳納米管陣列的方法還存在很多問題，由于碳納米管生 長機制復雜，碳管的直徑、長度、生長方向以及生長中不可避免的雜質(催化劑，不定型碳 等)會極大的影響器件的性能。同時，這種方式不能大批量制備大規(guī)模的高質量樣品，嚴重 制約了其性質和應用研究。通過以上分析可知，目前場效應晶體管生物傳感器存在的問題還很多，有利于市場推廣的生物傳感器及其檢測設備目前尚未有見。 發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種可以檢測多個對象和實現(xiàn)檢測的高通量和高靈敏度，分析速 度快，體積小、試樣用量少、成本低、易于大批量制備和實現(xiàn)在線控制及檢測自動化的場效 應晶體管生物傳感器，制備方法和采用該傳感器的檢測裝置。為達到上述目的，本發(fā)明提供的場效應晶體管生物傳感器，包括基底層和密封體，所述 密封體與所述基底層的接合面上設有多個開口朝下的凹槽式通道，所述凹槽式通道的兩端分 別垂直設有樣品的進樣通道和出樣通道，共同形成樣品的流體通道，在所述樣品進樣通道和 出樣通道中分別插接有進樣管和出樣管；在每個所述凹槽式通道中的所述基底層上分別固定 有至少一對金屬電極分別作為場效應晶體管的源極和漏極，所述金屬電極之間搭接有碳納米 管；所述基底層下部設有針腳，每對所述金屬電極分別通過帶有絕緣層的導電膠與其相應的 一對所述針腳相連接。本發(fā)明場效應晶體管生物傳感器，其中所述凹槽式通道設有S, P， N， B四個，均布在 密封體上。本發(fā)明場效應晶體管生物傳感器，其中所述基底層由硅片及沉積在其上的二氧化硅膜層 構成。本發(fā)明場效應晶體管生物傳感器，其中所述密封體采用聚二甲基硅氧垸低聚物制成。本發(fā)明場效應晶體管生物傳感器，其中在每個所述凹槽式通道中分別設有多個由金屬電 極和碳納米管構成的場效應晶體管。本發(fā)明場效應晶體管生物傳感器，其中所述碳納米管為通過共價鍵或者非共價鍵吸附探 針分子修飾的碳納米管f-CNTs。本發(fā)明場效應晶體管生物傳感器，其中所述金屬電極對呈相互交錯叉接形。本發(fā)B月.場效應晶體管生物傳感器，其中所述凹槽式通道長度為3-8 mm,寬度為0.5-2 mm， 深度為60-80 Mm，所述進樣通道和出樣通道的直徑分別為300 ,-l mm。為達到前述目的，本發(fā)明提供的采用上述傳感器的檢測裝置，包括場效應晶體管生物傳 感器、進樣系統(tǒng)、信號接收系統(tǒng)和廢液流出系統(tǒng)，其中所述進樣系統(tǒng)、場效應晶體管生物傳 感器和廢液流出系統(tǒng)依次相連，所述場效應晶體管生物傳感器與所述信號接收系統(tǒng)相連，所 述進樣系統(tǒng)采用納升量注射泵，所述信號接收系統(tǒng)采用電化學分析儀。為達到前述目的，本發(fā)明提供的場效應晶體管生物傳感器的制備方法，包括如下步驟
第一步分別制備基底層和密封體(1) 制備基底層先在硅片上沉積二氧化硅膜層，然后放置相互交錯叉型的金屬電極對；(2) 制備聚二甲基硅氧烷低聚物密封體先使用電鑄技術制作好鎳基模具，然后澆鑄 出底部具有凹槽式通道、每個凹槽式通道的兩端分別具有垂直的樣品進樣通道和出樣通道的 聚二甲基硅氧垸低聚物，其中所述凹槽式通道長度為3-8 mm，寬度為0.5-2 mm，深度為60-80所述進樣通道和出樣通道的直徑分別為300nm-lmm;第二步碳納米管的化學修飾利用碳納米管上的羧基通過酰胺鍵或酯鍵的共價鍵或者 非共價鍵方式，將抗體或者抗原、DNA、熒光分子生物分子固定在碳管表面，得到經(jīng)過修飾的 碳納米管f-CNTs;第三步將經(jīng)過探針分子共價或者非共價鍵化學修飾的碳納米管f-CNTs分散于水溶液或 有機溶劑中，然后將修飾后的碳納米管f-CNTs的懸浮液滴加到帶有電極對的二氧化硅表面；第四步待溶劑完全蒸發(fā)后，利用納米操縱儀移動修飾后的碳納米管f-CNTs，將修飾后 的碳納米管f-CNTs焊接固定在金屬電極對上；第五步采用深度反應離子刻蝕技術先將基底層貫穿打孔，打好孔后對孔作氧化絕緣化 處理，然后在孔內注入導電膠，將基底層下部的針腳與導電膠通過焊接連接在一起；第六步采用等離子體鍵合技術將上述的聚二甲基硅氧垸低聚物密封體與基底層粘合起來。本發(fā)明提供的場效應晶體管生物傳感器的制備方法，其中第三步中采用的有機溶劑為二 甲基甲酰胺或者氯苯。本發(fā)明場效應晶體管生物傳感器及其制備方法的優(yōu)點是采用一根或一束經(jīng)過修飾的碳 納米管連接電極對，由于經(jīng)過化學處理除去了雜質，排除或降低了雜質的干擾。利用納米操 縱儀實現(xiàn)對碳納米管的可控操作。并且該傳感器含有至少四個樣品通道，每個通道可以放置 任意數(shù)目、可檢測不同對象的場效應晶體管，可用于檢測多個對象，實現(xiàn)了檢測的高通量和 高靈敏度，具有體積小、試樣用量少、易微型化的優(yōu)點，工藝簡單，成本低廉，適合批量生 產(chǎn)。本發(fā)明場效應晶體管生物傳感器構成的檢測裝置操作簡單、方便，可廣泛用于高通量、 高靈敏度的農(nóng)殘、藥殘、基因等方面的檢測，加快了分析速度，并且易于實現(xiàn)在線控制和檢 測自動化。下面將結合實施例參照附圖進行詳細說明，以對本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點有深 入的理解。


圖1為本發(fā)明場效應晶體管生物傳感器的外部示意圖；圖2為本發(fā)明采用場效應晶體管生物傳感器的檢測裝置的結構示意圖；圖3為本發(fā)明場效應晶體管生物傳感器的結構剖視圖；圖4為圖3俯視圖圖5為圖4的局部A放大剖視圖；圖6為圖3的側視圖。
具體實施方式
下面以實施例對技術方案做詳細說明。參照圖3，本發(fā)明場效應晶體管生物傳感器，包括基底層和密封體?；讓佑晒杵?1及 沉積在其上的二氧化硅(Si02)膜層22構成。密封體20采用聚二甲基硅氧烷低聚物(PDMS) 制成。在本發(fā)明場效應晶體管生物傳感器的其它實施例中，也可以由鍺材做基底層。密封體 20也可以采用聚甲基丙烯酸甲酯低聚物(P醒A)制成。參照圖2和圖4，在本發(fā)明場效應晶體管生物傳感器中，密封體20在與基底層的接合面 上設有S, P， N， B四個均布的凹槽式通道1，四個凹槽式通道1分別用于對待測樣，陽性 對照樣，陰性對照樣和空白樣四種樣品進樣檢測。凹槽式通道1的兩端分別垂直設有樣品的 進樣通道2和出樣通道3，共同形成樣品的流體通道。在本發(fā)明場效應晶體管生物傳感器的 實施例中，凹槽式通道1長度選為7 mm，寬度為0.5 mm,深度為70拜。樣品進樣通道2 和出樣通道3的為直徑500 pm。在樣品進樣通道2和出樣通道3中分別插接有進樣管4和出 樣管5，進樣管4和出樣管5采用鋼管或玻璃(石英)管，內徑為200^m或300阿。參照圖3和圖6，在每個凹槽式通道1中的基底層上分別固定有至少一對(在不同的實 施例中，針對測試需要可以設置多對金屬電極)金屬電極7、 8作為源極S和漏極D，金屬電 極7、 8之間采用通過共價鍵或者非共價鍵吸附探針分子修飾的碳納米管9相互焊接在一起。 參照圖5,金屬電極對7、 8制成相互交錯叉接形，以增大碳納米管連接電極對的接觸幾率。 f-CNTs碳納米管9通過焊接技術固定在金屬電極對7、 8上，金屬電極7、 8的引線通過導電 膠11經(jīng)由硅片21的底部引出，防止液體漏出?；讓釉O有多對針腳IO，每對金屬電極7、 8 分別通過導電膠11與其相應的一對針腳10相連。下面以實施例說明本發(fā)明基于碳納米管的場效應晶體管生物傳感器的制備過程和方法。首先，制備基底層先在lxlcn^硅片上沉積200nm厚的二氧化硅膜層，然后放置相互
交錯叉型的Ti/All金屬電極對。制備聚二甲基硅氧烷低聚物密封體先使用電鑄技術制作好 鎳基模具，然后澆鑄出底部具有凹槽式通道、每個凹槽式通道的兩端分別具有垂直的樣品進 樣通道和出樣通道的聚二甲基硅氧烷低聚物(PDMS)。凹槽式通道長度選為7mm，寬度為0.5 mm,深度為70 fun。樣品進樣通道和出樣通道的為直徑500 jun。在樣品進樣通道和出樣通 道中分別插接有進樣管和出樣管，進樣管和出樣管采用鋼管或玻璃(石英)管，內徑為200pm 或300 nm。然后進行碳納米管的化學修飾利用碳納米管上的羧基通過酰胺鍵或酯鍵的共價鍵或者 非共價鍵方式，將抗體或者抗原、DNA、熒光分子生物分子固定在碳管表面，得到經(jīng)過修飾的 碳納米管f-CNTs。將經(jīng)過探針分子共價或者非共價鍵化學修飾的碳納米管f-CNTs分散于水溶液或有機溶 劑中，然后將懸浮液滴加到電極對的表面，真空干燥，待溶劑揮發(fā)完畢后，在聚焦粒子束(FIB) 系統(tǒng)真空室內觀察碳納米管與電極的接觸狀況，利用納米操縱儀移動納米管，使納米管兩端 分別連接金屬電極對，位置擺放好后，利用焊接技術將碳納米管固定在電極對上。制作電極的引線采用深度反應離子刻蝕(DRIE)技術先將基底層貫穿打孔，打好孔后 對孔作氧化絕緣化處理，然后在孔內注入導電膠，將基底層下部的針腳與導電膠通過焊接連 接在一起。最后，采用等離子體鍵合技術將上述的聚二甲基硅氧垸低聚物密封體與基底層粘合起來。 參照圖2，采用上述傳感器的檢測裝置，包括場效應晶體管生物傳感器31、進樣系統(tǒng)30、 信號接收系統(tǒng)32和廢液流出系統(tǒng)33。其中進樣系統(tǒng)30、場效應晶體管生物括感器31和廢液 流出系統(tǒng)33依次相連，場效應晶體管生物傳感器31與信號接收系統(tǒng)32相連，進樣系統(tǒng)30 采用納升量注射泵，信號接收系統(tǒng)32采用電化學分析儀。檢測裝置將流體注射泵、場效應晶 體管生物傳感器與電化學分析儀有效結合，可減少進樣量，加快分析速度，實現(xiàn)了在線控制 和自動化。.下面說明本發(fā)明采用場效應晶體管生物傳感器的檢測裝置的使用和工作過程 將微量注射泵的四個注射口分別與傳感器的四個進樣口相連，同時注射被檢測樣品溶液、 含有與抗體特異反應的抗原溶液、不含與抗體特異反應的抗原溶液、空白溶液。由于抗體和 抗原之間的特異反應引起碳納米管場效應晶體管效應變化，通過電信號分析儀可以觀察到溶 液中抗原的濃度相對電導隨著時間的變化。由于不同溶液中目標檢測抗原含量的不同，因此 輸出不同的電導隨時間變化的信號曲線，由此可以檢測分析未知樣品中目標檢測抗原。同理，
也可以將抗原分子固定在碳納米管上，檢測抗體分子。本發(fā)明場效應晶體管生物傳感器可以同時實現(xiàn)四個檢測樣品的單分子、高通量、高靈敏 度檢測，具有體積小、試樣用量少、易微型化的優(yōu)點，工藝簡單，成本低廉，適合批量生產(chǎn), 其檢測裝置簡單，操作方便，可用于高通量、高靈敏度的農(nóng)殘、藥殘、基因等方面的檢測。
權利要求
1.一種場效應晶體管生物傳感器，其特征在于包括基底層和密封體(20)，所述密封體(20)與所述基底層的接合面上設有至少個開口朝下的凹槽式通道(1)，所述凹槽式通道(1)的兩端分別垂直設有樣品的進樣通道(2)和出樣通道(3)，在所述樣品進樣通道(2)和出樣通道(3)中分別插接有進樣管(4)和出樣管(5)；在每個所述凹槽式通道(1)中的所述基底層上分別固定有至少一對金屬電極(7、8)分別作為場效應晶體管的源極(S)和漏極(D)，所述金屬電極(7、8)之間搭接有碳納米管(9)；所述基底層下部設有針腳(10)，每對所述金屬電極(7、8)分別通過帶有絕緣層的導電膠(11)與其相應的一對所述針腳(10)相連接。
2. 根據(jù)權利要求1所述的場效應晶體管生物傳感器，其特征在于其中所述凹槽式通道 (1)設有S， P, N， B四個，均布在密封體(20)上。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的場效應晶體管生物傳感器，其特征在于其中所述基底層 由硅片(21)及沉積在其上的二氧化硅(22)膜層構成。
4. 根據(jù)權利要求3所述的場效應晶體管生物傳感器，其特征在于其中所述密封體(20) 采用聚二甲基硅氧烷低聚物制成。
5. 根據(jù)權利要求4所述的場效應晶體管生物傳感器，其特征在于其中所述金屬電極(7、 8)與所述碳納米管(9)相互焊接在一起，
6. 根據(jù)權利要求5所述的場效應晶體管生物傳感器，其特征在于其中所述碳納米管(9) 為通過共價鍵或者非共價鍵吸附探針分子修飾的碳納米管(f-CNTs)。
7. 根據(jù)權利要求6所述的場效應晶體管生物傳感器,其特征在于:其中所述金屬電極(7、 8)呈相互交錯叉接形。
8. 根據(jù)權利要求7所述的場效應晶體管生物傳感器，其特征在于其中所述凹槽式通道 (1)長度為3-8 mm，寬度為0.5-2 mm，深度為60-80 所述進樣通道(2)和出樣通道 (3)的直徑分別為300拜-1 mm。
9. 采用權利要求l、 2、 4、 5、 6、 7、 8中任何一種傳感器的檢測裝置，其特征在于包 括場效應晶體管生物傳感器(31)、進樣系統(tǒng)(30)、信號接收系統(tǒng)(32)和廢液流出系統(tǒng)(33), 其中所述進樣系統(tǒng)(30)、場效應晶體管生物傳感器(31)和廢液流出系統(tǒng)(33)依次相連， 所述場效應晶體管生物傳感器(31)與所述信號接收系統(tǒng)(32)相連，所述進樣系統(tǒng)(30)采用納升量注射泵，所述信號接收系統(tǒng)(32)采用電化學分析儀。
10. 采用權利要求3中傳感器的檢測裝置，其特征在于包括場效應晶體管生物傳感器 (31)、進樣系統(tǒng)(30)、信號接收系統(tǒng)(32)和廢液流出系統(tǒng)(33)，其中所述進樣系統(tǒng)(30)、場效應晶體管生物傳感器(31)和廢液流出系統(tǒng)(33)依次相連，所述場效應晶體管生物傳 感器(31)與所述信號接收系統(tǒng)(32)相連，所述進樣系統(tǒng)(30)采用納升量注射泵，所述 信號接收系統(tǒng)(32)采用電化學分析儀。
11. 場效應晶體管生物傳感器的制備方法，包括如下步驟 第一步分別制備基底層和密封體(1) 制備基底層先在硅片上沉積二氧化硅膜層，然后放置相互交錯叉型的金屬電極對;(2) 制備聚二甲基硅氧垸低聚物密封體先使用電鑄技術制作好鎳基模具，然后澆鑄出 底部具有凹槽式通道、每個凹槽式通道的兩端分別具有垂直的樣品進樣通道和出樣通道的聚 二甲基硅氧垸低聚物，其中所述凹槽式通道長度為3-8mm,寬度為0.5-2mm,深度為60-80拜， 所述進樣通道和出樣通道的直徑分別為300拜-1 mm;第二步碳納米管的化學修飾利用碳納米管上的羧基通過酰胺鍵或酯鍵的共價鍵或者 非共價鍵方式，將抗體或者抗原、DNA、熒光分子生物分子固定在碳管表面，得到經(jīng)過修飾的 碳納米管f-CNTs;第三步將經(jīng)過探針分子共價或者非共價鍵化學修飾的碳納米管f-CNTs分散于水溶液或 有機溶劑中，然后將修飾后的碳納米管f-CNTs的懸浮液滴加到帶有電極對的二氧化硅表面；第四步待溶劑完全蒸發(fā)后，利用納米操縱儀移動修飾后的碳納米管f-CNTs,將修飾后 的碳納米管f-CNTs焊接固定在金屬電極對上；第五步采用深度反應離子刻蝕技術先將基底層貫穿打孔，打好孔后對孔作氧化絕緣化 處理，然后在孔內注入導電膠，將基底層下部的針腳與導電膠通過焊接連接在一起；第六歩采用等離子體鍵合技術將上述的聚二甲基硅氧垸低聚物密封體與基底層粘合起來。
12. 根據(jù)權利要求11所述的場效應晶體管生物傳感器的制備方法，其中第三步中采用的有機溶劑為二甲基甲酰胺或者氯苯。
全文摘要
本發(fā)明提供的場效應晶體管生物傳感器，包括基底層和密封體，密封體設有多個凹槽式通道及樣品的進樣通道和出樣通道，在每個凹槽式通道中橫向固定有至少一對金屬電極分別作為場效應晶體管的源極和漏極，金屬電極之間設有碳納米管，金屬電極與碳納米管相互焊接在一起?；讓酉虏吭O有針腳通過帶有絕緣層的導電膠與金屬電極相連接。本發(fā)明還提供了基于碳納米管的場效應晶體管生物傳感器的制備方法及采用該傳感器的檢測裝置。本發(fā)明的優(yōu)點是可用于檢測多個對象，實現(xiàn)了檢測的高通量和高靈敏度，體積小、試樣用量少，工藝簡單，成本低廉，適合批量生產(chǎn)。其檢測裝置操作簡單、方便，分析速度快，易于實現(xiàn)在線控制和檢測自動化。
文檔編號G01N27/414GK101126735SQ200710152069
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月30日 優(yōu)先權日2007年9月30日
發(fā)明者任冬梅, 王軍兵, 王大寧, 艷 程, 董益陽, 齊小花 申請人:董益陽;任冬梅