一種基于層狀材料場效應(yīng)的生物物質(zhì)傳感器和生物物質(zhì)探測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于生物物質(zhì)傳感器技術(shù)，特別是一種基于層狀材料場效應(yīng)的生物物質(zhì)傳感器和生物物質(zhì)探測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著環(huán)境問題的日益加重，生物物質(zhì)探測已經(jīng)成了人們目前非常關(guān)注的問題。如何簡便快速的探測與人類生存相關(guān)的各種生物物質(zhì)是當(dāng)今熱門的研究課題。以鉛離子這種重金屬離子為例，長期攝入鉛離子會對人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，內(nèi)分泌系統(tǒng)，消化系統(tǒng)，造血系統(tǒng)等等產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。嬰兒攝入鉛離子則會影響智力發(fā)育，造成小兒癡呆。目前對于鉛離子的探測手段主要有原子吸收光譜測定法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、陽極溶出伏安法等等，這些方法有測量精度高，速度快，價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在不便攜，操作復(fù)雜等缺點(diǎn)。
[0003]二維材料薄膜層作為一種新型材料，具有良好的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)。其表面為各種反應(yīng)提供了良好的場所，因此在生物探測領(lǐng)域得到了巨大的重視;而DNA寡鏈因其多變的三維結(jié)構(gòu)，可以對特定的生物物質(zhì)進(jìn)行吸附。將DNA寡鏈安裝在二維材料表面后，利用其特異性的吸附能力，將特定的生物物質(zhì)吸附到二維材料表面，產(chǎn)生不同的摻雜效應(yīng)，從而影響場效應(yīng)曲線。
[0004]本發(fā)明和傳統(tǒng)方法相比，有靈敏度高，體積小，操作簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)痕量探測等優(yōu)勢。但也有可重復(fù)性底等缺點(diǎn)亟需改進(jìn)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是，提供一種基于層狀材料場效應(yīng)的生物物質(zhì)傳感器和生物物質(zhì)探測系統(tǒng)，以提高靈敏度，減小體積，簡化操作，并實(shí)現(xiàn)痕量探測。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案是，
[0007]—種基于層狀材料的生物物質(zhì)傳感器，包括:絕緣層2、金屬電極層3、二維材料薄膜層4、特異性吸附層5及介質(zhì)層6;絕緣層2上為二維材料薄膜層4，特異性吸附層5位于二維材料薄膜層的上表面，可以吸附特異性的物質(zhì)，從而改變二維材料薄膜層的表面摻雜狀態(tài)；金屬電極層，包括源電極層31，漏電極層32及頂柵電極層33;源電極層31和漏電極層32覆蓋在二維材料薄膜層的兩端上，頂柵電極層33位于二維材料薄膜層和特異性吸附層的旁邊并與漏電極層32保持一定距離，源電極層31和漏電極層32的表面覆蓋有絕緣層進(jìn)行保護(hù);介質(zhì)層6覆蓋在二維材料薄膜層4，特異性附著層5和金屬電極層表面。
[0008]所述的生物物質(zhì)傳感器還包括:基底，設(shè)置在所述絕緣層下面。
[0009]所述的二維材料薄膜層為石墨烯薄膜晶體、過渡金屬硫族化合物，其厚度為0.3-5納米。
[0010]所述的絕緣層為二氧化硅層、PMMA層或鍺片，其厚度為300土 50納米。
[0011]所述特異性選擇層為包括DNA寡鏈的適配體，其厚度為1-5納米。
[0012]介質(zhì)層，覆蓋在二維材料薄膜層，特異性附著層和金屬電極層表面，為被探測的特異性物質(zhì)提供維持環(huán)境。
[00?3 ] 所述源電極層由5nm厚的鈦、50nm厚的金及I Onm厚的二氧化娃組成。
[00?4] 所述漏電極層由5nm厚的鈦、50nm厚的金及I Onm厚的二氧化娃組成。
[0015]所述頂柵電極層由5nm厚的鈦及50nm厚的金組成。
[0016]所述介質(zhì)層由氣體電介質(zhì)，液體電介質(zhì)或者固體電介質(zhì)組成。
[0017]所探測的生物(目標(biāo))物質(zhì)為正二價的鉛離子。特異性選擇層為，其厚度為1-5納米。
[0018]采用了對于生物物質(zhì)有吸附能力的特異性吸附層;所探測的生物物質(zhì)為重金屬離子，蛋白質(zhì)，氨基酸，核苷酸。
[0019]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供一種生物物質(zhì)探測系統(tǒng)，所述探測系統(tǒng)包括:生物物質(zhì)傳感器、電壓源及電流表，其中，所述的傳感器即為基于層狀材料的生物物質(zhì)傳感器。
[0020]所述源電極層連接所述電壓源的負(fù)極并接地，所述電壓源的正極通過電流表連接所述漏電極層;所述頂柵電極層連接所述另一個電壓源的正極;所述兩個電壓源的負(fù)極連接在一起；
[0021 ]探測過程中，所述的特異性選擇層吸附目標(biāo)物質(zhì)并使其沉積到所述二維薄膜材料表面。所探測的目標(biāo)物質(zhì)所帶電荷會使得所述二維薄膜材料的摻雜情況發(fā)生改變，從而改變所述二維薄膜材料的場效應(yīng)輸運(yùn)性質(zhì)，利用所述電壓源和電流表，通過所述二維薄膜材料上的源電極層、漏電極層及頂柵電極層進(jìn)行場效應(yīng)變化的測量。
[0022]有益效果:本發(fā)明的生物物質(zhì)傳感器不同于傳統(tǒng)的傳感器。首先，本發(fā)明的傳感器以二維材料薄膜層作為傳感材料，在小型化上有很大的優(yōu)勢;其次，特異性吸附層能夠?qū)μ囟ǖ纳镂镔|(zhì)做出選擇，因此在特異性探測上相比較傳統(tǒng)傳感器會更加精確;另外，二維材料的場效應(yīng)輸運(yùn)性質(zhì)對于其表面的摻雜效應(yīng)極其敏感，這將使得本發(fā)明的生物物質(zhì)探測器應(yīng)用于高靈敏探測性能的領(lǐng)域成為可能。本發(fā)明和傳統(tǒng)方法相比，有靈敏度高，體積小，操作簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)痕量探測等優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0023]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0024]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的基于層狀材料的生物物質(zhì)傳感器的正視圖；
[0025]圖2為本發(fā)明實(shí)施例一的基于層狀材料的生物物質(zhì)傳感器的俯視圖；
[0026]圖3為本發(fā)明實(shí)施例一的基于層狀材料的生物物質(zhì)傳感器的左視圖；
[0027]圖4中示出了特異性吸附層吸附了特定生物物質(zhì)之后二維層狀薄膜材料表面摻雜狀態(tài)的改變；
[0028]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的特異性吸附層的合成方法流程圖。
[0029]圖6為本發(fā)明實(shí)施例的生物物質(zhì)探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0031]如圖1、圖2及圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于層狀材料場效應(yīng)的生物物質(zhì)傳感器，所述的傳感器包括:絕緣層2，金屬電極層3，二維材料薄膜層4，特異性吸附層5及介質(zhì)層6.
[0032]二維材料薄膜層4位于絕緣層2之上，金屬電極層，包括源電極層31，漏電極層32及頂柵電極層33，源電極層31和漏電極層32覆蓋在二維材料薄膜層的兩端上，頂柵電極層33位于二維材料薄膜層和特異性吸附層的旁邊并保持一定距離，源電極層31和漏電基層32的表面覆蓋有絕緣層34進(jìn)行保護(hù).特異性吸附層5位于二維材料薄膜層4的上表面.介質(zhì)層6覆蓋在二維材料薄膜層4，特異性附著層5和金屬電極層3表面。
[0033]在一實(shí)施例中，源電極層31，漏電極層32及頂柵電極層33均由5nm厚的鈦及50nm厚的金組成，其中源電極層31及漏電極層33表面還覆蓋了 1nm的絕緣層34，并非用于限定。
[0034]在一實(shí)施例中如圖1所示，壓力傳感器還包括:基底I，該基底I設(shè)置在絕緣層2下面，基底I可以為硅等絕緣性材料，本發(fā)明僅以硅為例進(jìn)行說明。
[0035]二維材料薄膜層4和特異性吸附層5為本發(fā)明的生物物質(zhì)傳感器的核心部分?？梢酝ㄟ^特異性吸附層5的吸附能力，將特定的生物物質(zhì)吸附到二維材料薄膜層4的表面，生物物質(zhì)可以改變二維材料薄膜層4的摻雜狀態(tài)，從而影響二維材料薄膜層4的場效應(yīng)輸運(yùn)性質(zhì)，改變所述二維材料薄膜層的場效應(yīng)曲線。
[0036]具體的，如圖1所示，當(dāng)鉛離子進(jìn)入介質(zhì)層6后，被特異性吸附層5吸附，附著在二維材料薄膜層4的表面。鉛離子的正電荷使為二維材料薄膜層4引入電子摻雜，使得其場效應(yīng)輸運(yùn)曲線向左偏移。
[0037]本發(fā)明的生物物質(zhì)傳感器中的二維材料薄膜層可以為石墨烯薄膜晶體、過渡金屬硫族化物，過渡金屬硫族化物可以為硫化鉬及錫化鉬等，本發(fā)明僅以石墨烯薄膜晶體，并非用于限定。
[0038]本發(fā)明的生物物質(zhì)傳感器中的絕緣層2可以絕緣材料及介電材料，絕緣材料例如為二氧化硅層、PMMA層及鍺片，本發(fā)明僅以二氧化硅層作為絕緣層進(jìn)行說明。
[0039]下面結(jié)合具體的例子簡單介紹生物物質(zhì)傳感器的制作過程
[0040]石墨烯薄膜晶體的獲得方法:
[0041 ] I)機(jī)械剝離法:在加工完后的氧化硅片上機(jī)械剝離出石墨烯薄膜晶體
[0042]2)CVD生長法:通過CVD在氧化硅表面得到石墨烯薄膜晶體
[0043]通過掩模板蒸鍍或者電子束曝光蒸鍍的方法制作金屬電極層:
[0044]找好特定的石墨烯薄膜晶體，利用事先做好的掩模版對準(zhǔn)石墨烯薄膜晶體，連同氧化硅片和基底一起放入電子束蒸鍍系統(tǒng)，并蒸鍍5nm鈦，50nm金和10nmSi02的金屬電極層。去除掩模版后相應(yīng)的金屬電極層就會覆蓋在石墨烯薄膜材料的兩側(cè);或者在石墨烯薄膜晶體上旋涂光刻膠并烘培，放入電子顯微鏡中，利用電子束在光刻膠上寫下特定的形狀，被電子束寫過的光刻膠性質(zhì)發(fā)生改變，在顯影液中浸泡后被去除，沒有被電子束寫過的光刻膠則沒有發(fā)生變化。隨后連同氧化硅片和基底一起放入電子束蒸鍍系統(tǒng)，并蒸鍍5nm鈦，50nm金和10nmSi02的金屬電極層。再將樣品放入丙酮溶液，去除剩余的光刻膠以及附著在上面的金屬，這樣相應(yīng)的金屬電極層就會覆蓋在石墨烯薄膜材料的兩側(cè)。
[0045]特異性吸附層的合成與吸附:在實(shí)施例中，我們采用對于正二價鉛離子有特異性吸附能力的8-17DNA酶作為特異性吸附層，并在其末端加上芘環(huán)，利用芘環(huán)和石墨烯薄膜材料的相互作用，將特異性吸附層附著在石墨烯薄膜材料的表面。8-17DNA酶由兩條鏈組成，分別為17E和17S。在這里要聲明的是，我們采用的8-17DNA酶不同于一般的8-17DNA酶，我