CN101126735B - 一种场效应晶体管生物传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的场效应晶体管生物传感器，包括基底层和密封体，密封体设有多个凹槽式通道及样品的进样通道和出样通道，在每个凹槽式通道中横向固定有至少一对金属电极分别作为场效应晶体管的源极和漏极，金属电极之间设有碳纳米管，金属电极与碳纳米管相互焊接在一起。基底层下部设有针脚通过带有绝缘层的导电胶与金属电极相连接。本发明还提供了基于碳纳米管的场效应晶体管生物传感器的制备方法及采用该传感器的检测装置。本发明的优点是：可用于检测多个对象，实现了检测的高通量和高灵敏度，体积小、试样用量少，工艺简单，成本低廉，适合批量生产。其检测装置操作简单、方便，分析速度快，易于实现在线控制和检测自动化。

Description

一种场效应晶体管生物传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及生物传感器，特别涉及一种生物传感器及其制备方法和采用该传感器的检测装置。

背景技术

生物传感器由于其优异的选择性和较高的灵敏度，在临床、食品、生物、环保检测等领域具有广阔的应用前景。场效应晶体管生物传感器(FET)是传感器中很重要的分支。

场效应管生物传感器是生物功能性膜代替绝缘栅场效应管的金属栅电极，生物功能性膜与溶液或气体界面的电位(或电荷)变化，反应到漏极的电流变化，从而实现检测的目的。随着近年来微制作技术的发展，FET生物传感器被认为是发展微型生物传感器的有效手段。

目前所报道的FET生物传感器大多利用LB膜技术，在FET绝缘栅极上涂覆一层或多层生物功能材料，或在硅片上用制作集成电路的方法，把几种敏感器件集成在一起，获得多功能的生物敏感场效应晶体管。生物敏感膜的制备非常关键，目前发展的多种生物功能物质固定化技术比如吸附法，交联法，包埋法，共价键合法等方法各有优缺点，在实际的生物功能物质固定化过程中，常常需要根据具体情况，对各种方法灵活运用，在检测过程中对温度、溶液pH值、样品量等条件也需加以严格控制。因此，场效应管生物传感器还有待改进和发展，以提高器件的可靠性、稳定性和实用性。

自从1991年碳纳米管发现以来，由于其独特的一维纳米线结构和电学性质，使其在电子器件材料方面有着不可估量的应用前景。近年来各国科学家开展了基于碳纳米管的场效应晶体管传感器的研究。目前，基于碳纳米管的生物传感器还处于实验室试验阶段。制作方法首先在硅片上生长碳纳米管阵列，然后再构建场效应管生物传感器，这种方法构建的传感器检测对象单一，并且目前在芯片上制备碳纳米管阵列的方法还存在很多问题，由于碳纳米管生长机制复杂，碳管的直径、长度、生长方向以及生长中不可避免的杂质(催化剂，不定型碳等)会极大的影响器件的性能。同时，这种方式不能大批量制备大规模的高质量样品，严重制约了其性质和应用研究。

通过以上分析可知，目前场效应晶体管生物传感器存在的问题还很多，有利于市场推广的生物传感器及其检测设备目前尚未有见。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以检测多个对象和实现检测的高通量和高灵敏度，分析速度快，体积小、试样用量少、成本低、易于大批量制备和实现在线控制及检测自动化的场效应晶体管生物传感器，制备方法和采用该传感器的检测装置。

为达到上述目的，本发明提供的场效应晶体管生物传感器，包括基底层和密封体，所述密封体与所述基底层的接合面上设有多个开口朝下的凹槽式通道，所述凹槽式通道的两端分别垂直设有样品的进样通道和出样通道，共同形成样品的流体通道，在所述样品进样通道和出样通道中分别插接有进样管和出样管；在每个所述凹槽式通道中的所述基底层上分别固定有至少一对金属电极分别作为场效应晶体管的源极和漏极，所述金属电极之间搭接有碳纳米管；所述基底层下部设有针脚，每对所述金属电极分别通过带有绝缘层的导电胶与其相应的一对所述针脚相连接。

本发明场效应晶体管生物传感器，其中所述凹槽式通道设有S，P，N，B四个，均布在密封体上。

本发明场效应晶体管生物传感器，其中所述基底层由硅片及沉积在其上的二氧化硅膜层构成。

本发明场效应晶体管生物传感器，其中所述密封体采用聚二甲基硅氧烷低聚物制成。

本发明场效应晶体管生物传感器，其中在每个所述凹槽式通道中分别设有多个由金属电极和碳纳米管构成的场效应晶体管。

本发明场效应晶体管生物传感器，其中所述碳纳米管为通过共价键或者非共价键吸附探针分子修饰的碳纳米管f-CNTs。

本发明场效应晶体管生物传感器，其中所述金属电极对呈相互交错叉接形。

本发明场效应晶体管生物传感器，其中所述凹槽式通道长度为3-8mm，宽度为0.5-2mm，深度为60-80μm，所述进样通道和出样通道的直径分别为300μm-1mm。

为达到前述目的，本发明提供的采用上述传感器的检测装置，包括场效应晶体管生物传感器、进样***、信号接收***和废液流出***，其中所述进样***、场效应晶体管生物传感器和废液流出***依次相连，所述场效应晶体管生物传感器与所述信号接收***相连，所述进样***采用纳升量注射泵，所述信号接收***采用电化学分析仪。

为达到前述目的，本发明提供的场效应晶体管生物传感器的制备方法，包括如下步骤：

第一步：分别制备基底层和密封体：

(1)制备基底层：先在硅片上沉积二氧化硅膜层，然后放置相互交错叉型的金属电极对；

(2)制备聚二甲基硅氧烷低聚物密封体：先使用电铸技术制作好镍基模具，然后浇铸出底部具有凹槽式通道、每个凹槽式通道的两端分别具有垂直的样品进样通道和出样通道的聚二甲基硅氧烷低聚物，其中所述凹槽式通道长度为3-8mm，宽度为0.5-2mm，深度为60-80μm，所述进样通道和出样通道的直径分别为300μm-1mm；

第二步：碳纳米管的化学修饰：利用碳纳米管上的羧基通过酰胺键或酯键的共价键或者非共价键方式，将抗体或者抗原、DNA、荧光分子生物分子固定在碳管表面，得到经过修饰的碳纳米管f-CNTs；

第三步：将经过探针分子共价或者非共价键化学修饰的碳纳米管f-CNTs分散于水溶液或有机溶剂中，然后将修饰后的碳纳米管f-CNTs的悬浮液滴加到带有电极对的二氧化硅表面；

第四步：待溶剂完全蒸发后，利用纳米操纵仪移动修饰后的碳纳米管f-CNTs，将修饰后的碳纳米管f-CNTs焊接固定在金属电极对上；

第五步：采用深度反应离子刻蚀技术先将基底层贯穿打孔，打好孔后对孔作氧化绝缘化处理，然后在孔内注入导电胶，将基底层下部的针脚与导电胶通过焊接连接在一起；

第六步：采用等离子体键合技术将上述的聚二甲基硅氧烷低聚物密封体与基底层粘合起来。

本发明提供的场效应晶体管生物传感器的制备方法，其中第三步中采用的有机溶剂为二甲基甲酰胺或者氯苯。

本发明场效应晶体管生物传感器及其制备方法的优点是：采用一根或一束经过修饰的碳纳米管连接电极对，由于经过化学处理除去了杂质，排除或降低了杂质的干扰。利用纳米操纵仪实现对碳纳米管的可控操作。并且该传感器含有至少四个样品通道，每个通道可以放置任意数目、可检测不同对象的场效应晶体管，可用于检测多个对象，实现了检测的高通量和高灵敏度，具有体积小、试样用量少、易微型化的优点，工艺简单，成本低廉，适合批量生产。本发明场效应晶体管生物传感器构成的检测装置操作简单、方便，可广泛用于高通量、高灵敏度的农残、药残、基因等方面的检测，加快了分析速度，并且易于实现在线控制和检测自动化。下面将结合实施例参照附图进行详细说明，以对本发明的目的、特征和优点有深入的理解。

附图说明

图1为本发明场效应晶体管生物传感器的外部示意图；

图2为本发明采用场效应晶体管生物传感器的检测装置的结构示意图；

图3为本发明场效应晶体管生物传感器的结构剖视图；

图4为图3俯视图；

图5为图4的局部A放大剖视图；

图6为图3的侧视图。

具体实施方式

下面以实施例对技术方案做详细说明。

参照图3，本发明场效应晶体管生物传感器，包括基底层和密封体。基底层由硅片21及沉积在其上的二氧化硅(SiO₂)膜层22构成。密封体20采用聚二甲基硅氧烷低聚物(PDMS)制成。在本发明场效应晶体管生物传感器的其它实施例中，也可以由锗材做基底层。密封体20也可以采用聚甲基丙烯酸甲酯低聚物(PMMA)制成。

参照图2和图4，在本发明场效应晶体管生物传感器中，密封体20在与基底层的接合面上设有S，P，N，B四个均布的凹槽式通道1，四个凹槽式通道1分别用于对待测样，阳性对照样，阴性对照样和空白样四种样品进样检测。凹槽式通道1的两端分别垂直设有样品的进样通道2和出样通道3，共同形成样品的流体通道。在本发明场效应晶体管生物传感器的实施例中，凹槽式通道1长度选为7mm，宽度为0.5mm，深度为70μm。样品进样通道2和出样通道3的为直径500μm。在样品进样通道2和出样通道3中分别插接有进样管4和出样管5，进样管4和出样管5采用钢管或玻璃(石英)管，内径为200μm或300μm。

参照图3和图6，在每个凹槽式通道1中的基底层上分别固定有至少一对(在不同的实施例中，针对测试需要可以设置多对金属电极)金属电极7、8作为源极S和漏极D，金属电极7、8之间采用通过共价键或者非共价键吸附探针分子修饰的碳纳米管9相互焊接在一起。参照图5，金属电极对7、8制成相互交错叉接形，以增大碳纳米管连接电极对的接触几率。f-CNTs碳纳米管9通过焊接技术固定在金属电极对7、8上，金属电极7、8的引线通过导电胶11经由硅片21的底部引出，防止液体漏出。基底层设有多对针脚10，每对金属电极7、8分别通过导电胶11与其相应的一对针脚10相连。

下面以实施例说明本发明基于碳纳米管的场效应晶体管生物传感器的制备过程和方法。

首先，制备基底层：先在1×1cm²硅片上沉积200nm厚的二氧化硅膜层，然后放置相互交错叉型的Ti/Au金属电极对。制备聚二甲基硅氧烷低聚物密封体：先使用电铸技术制作好镍基模具，然后浇铸出底部具有凹槽式通道、每个凹槽式通道的两端分别具有垂直的样品进样通道和出样通道的聚二甲基硅氧烷低聚物(PDMS)。凹槽式通道长度选为7mm，宽度为0.5mm，深度为70μm。样品进样通道和出样通道的为直径500μm。在样品进样通道和出样通道中分别插接有进样管和出样管，进样管和出样管采用钢管或玻璃(石英)管，内径为200μm或300μm。

然后进行碳纳米管的化学修饰：利用碳纳米管上的羧基通过酰胺键或酯键的共价键或者非共价键方式，将抗体或者抗原、DNA、荧光分子生物分子固定在碳管表面，得到经过修饰的碳纳米管f-CNTs。

将经过探针分子共价或者非共价键化学修饰的碳纳米管f-CNTs分散于水溶液或有机溶剂中，然后将悬浮液滴加到电极对的表面，真空干燥，待溶剂挥发完毕后，在聚焦粒子束(FIB)***真空室内观察碳纳米管与电极的接触状况，利用纳米操纵仪移动纳米管，使纳米管两端分别连接金属电极对，位置摆放好后，利用焊接技术将碳纳米管固定在电极对上。

制作电极的引线：采用深度反应离子刻蚀(DRIE)技术先将基底层贯穿打孔，打好孔后对孔作氧化绝缘化处理，然后在孔内注入导电胶，将基底层下部的针脚与导电胶通过焊接连接在一起。

最后，采用等离子体键合技术将上述的聚二甲基硅氧烷低聚物密封体与基底层粘合起来。

参照图2，采用上述传感器的检测装置，包括场效应晶体管生物传感器31、进样***30、信号接收***32和废液流出***33。其中进样***30、场效应晶体管生物传感器31和废液流出***33依次相连，场效应晶体管生物传感器31与信号接收***32相连，进样***30采用纳升量注射泵，信号接收***32采用电化学分析仪。检测装置将流体注射泵、场效应晶体管生物传感器与电化学分析仪有效结合，可减少进样量，加快分析速度，实现了在线控制和自动化。

下面说明本发明采用场效应晶体管生物传感器的检测装置的使用和工作过程：

将微量注射泵的四个注射口分别与传感器的四个进样口相连，同时注射被检测样品溶液、含有与抗体特异反应的抗原溶液、不含与抗体特异反应的抗原溶液、空白溶液。由于抗体和抗原之间的特异反应引起碳纳米管场效应晶体管效应变化，通过电信号分析仪可以观察到溶液中抗原的浓度相对电导随着时间的变化。由于不同溶液中目标检测抗原含量的不同，因此输出不同的电导随时间变化的信号曲线，由此可以检测分析未知样品中目标检测抗原。同理，也可以将抗原分子固定在碳纳米管上，检测抗体分子。

本发明场效应晶体管生物传感器可以同时实现四个检测样品的单分子、高通量、高灵敏度检测，具有体积小、试样用量少、易微型化的优点，工艺简单，成本低廉，适合批量生产，其检测装置简单，操作方便，可用于高通量、高灵敏度的农残、药残、基因等方面的检测。

Claims (1)

1.一种场效应晶体管生物传感器的制备方法，包括如下步骤：

第一步：分别制备基底层和密封体：

(1)制备基底层：先在硅片上沉积二氧化硅膜层，然后放置相互交错叉型的金属电极对；

(2)制备聚二甲基硅氧烷低聚物密封体：先使用电铸技术制作好镍基模具，然后浇铸出底部具有凹槽式通道、每个凹槽式通道的两端分别具有垂直的样品进样通道和出样通道的聚二甲基硅氧烷低聚物，其中所述凹槽式通道长度为3-8mm，宽度为0.5-2mm，深度为60-80μm，所述进样通道和出样通道的直径分别为300μm-1mm；

第二步：碳纳米管的化学修饰：利用碳纳米管上的羧基通过酰胺键或酯键的共价键或者非共价键方式，将抗体或者抗原、DNA、荧光分子生物分子固定在碳管表面，得到经过修饰的碳纳米管f-CNTs；

第三步：将经过探针分子共价或者非共价键化学修饰的碳纳米管f-CNTs分散于水溶液或二甲基甲酰胺溶剂或者氯苯溶剂中，然后将修饰后的碳纳米管f-CNTs的悬浮液滴加到带有电极对的二氧化硅表面；

第四步：待溶剂完全蒸发后，利用纳米操纵仪移动修饰后的碳纳米管f-CNTs，将修饰后的碳纳米管f-CNTs焊接固定在金属电极对上；

第五步：采用深度反应离子刻蚀技术先将基底层贯穿打孔，打好孔后对孔作氧化绝缘化处理，然后在孔内注入导电胶，将基底层下部的针脚与导电胶通过焊接连接在一起；

第六步：采用等离子体键合技术将上述的聚二甲基硅氧烷低聚物密封体与基底层粘合起来。

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