一种基于层状材料场效应的生物物质传感器和生物物质探测系统

摘要

一种基于层状材料的生物物质传感器，包括：绝缘层(2)、金属电极层(3)、二维材料薄膜层(4)、特异性吸附层(5)及介质层(6)；绝缘层(2)上为二维材料薄膜层(4)，特异性吸附层(5)位于二维材料薄膜层的上表面，吸附特异性的物质，改变二维材料薄膜层的表面掺杂状态；金属电极层，包括源电极层(31)，漏电极层(32)及顶栅电极层(33)；源电极层(31)和漏电极层覆盖在二维材料薄膜层的两端上，顶栅电极层位于二维材料薄膜层和特异性吸附层的旁边并与漏电极层保持一定距离，源电极层和漏电极层的表面覆盖有绝缘层进行保护；介质层覆盖在二维材料薄膜层，特异性附着层(5)和金属电极层表面。

说明书

技术领域

本发明是关于生物物质传感器技术，特别是一种基于层状材料场效应的生物物质传 感器和生物物质探测系统。

背景技术

随着环境问题的日益加重，生物物质探测已经成了人们目前非常关注的问题。如何 简便快速的探测与人类生存相关的各种生物物质是当今热门的研究课题。以铅离子这种 重金属离子为例，长期摄入铅离子会对人体的中枢神经系统，内分泌系统，消化系统， 造血系统等等产生严重的影响。婴儿摄入铅离子则会影响智力发育，造成小儿痴呆。目 前对于铅离子的探测手段主要有原子吸收光谱测定法、电感耦合等离子体质谱法、阳极 溶出伏安法等等，这些方法有测量精度高，速度快，价格便宜等优点，但是也存在不便 携，操作复杂等缺点。

二维材料薄膜层作为一种新型材料，具有良好的电学性质、光学性质和热学性质。 其表面为各种反应提供了良好的场所，因此在生物探测领域得到了巨大的重视；而DNA 寡链因其多变的三维结构，可以对特定的生物物质进行吸附。将DNA寡链安装在二维材 料表面后，利用其特异性的吸附能力，将特定的生物物质吸附到二维材料表面，产生不 同的掺杂效应，从而影响场效应曲线。

本发明和传统方法相比，有灵敏度高，体积小，操作简单，能够实现痕量探测等优 势。但也有可重复性底等缺点亟需改进

发明内容

本发明目的是，提供一种基于层状材料场效应的生物物质传感器和生物物质探测系 统，以提高灵敏度，减小体积，简化操作，并实现痕量探测。

为了实现上述目的，本发明技术方案是，

一种基于层状材料的生物物质传感器，包括：绝缘层2、金属电极层3、二维材料薄 膜层4、特异性吸附层5及介质层6；绝缘层2上为二维材料薄膜层4，特异性吸附层5 位于二维材料薄膜层的上表面，可以吸附特异性的物质，从而改变二维材料薄膜层的表 面掺杂状态；金属电极层，包括源电极层31，漏电极层32及顶栅电极层33；源电极层 31和漏电极层32覆盖在二维材料薄膜层的两端上，顶栅电极层33位于二维材料薄膜层 和特异性吸附层的旁边并与漏电极层32保持一定距离，源电极层31和漏电极层32的 表面覆盖有绝缘层进行保护；介质层6覆盖在二维材料薄膜层4，特异性附着层5和金 属电极层表面。

所述的生物物质传感器还包括：基底，设置在所述绝缘层下面。

所述的二维材料薄膜层为石墨烯薄膜晶体、过渡金属硫族化合物，其厚度为0.3-5 纳米。

所述的绝缘层为二氧化硅层、PMMA层或锗片，其厚度为300±50纳米。

所述特异性选择层为包括DNA寡链的适配体，其厚度为1-5纳米。

介质层，覆盖在二维材料薄膜层，特异性附着层和金属电极层表面，为被探测的特 异性物质提供维持环境。

所述源电极层由5nm厚的钛、50nm厚的金及10nm厚的二氧化硅组成。

所述漏电极层由5nm厚的钛、50nm厚的金及10nm厚的二氧化硅组成。

所述顶栅电极层由5nm厚的钛及50nm厚的金组成。

所述介质层由气体电介质，液体电介质或者固体电介质组成。

所探测的生物(目标)物质为正二价的铅离子。特异性选择层为，其厚度为1-5纳 米。

采用了对于生物物质有吸附能力的特异性吸附层；所探测的生物物质为重金属离子， 蛋白质，氨基酸，核苷酸。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种生物物质探测系统，所述探测系统包括： 生物物质传感器、电压源及电流表，其中，所述的传感器即为基于层状材料的生物物质 传感器。

所述源电极层连接所述电压源的负极并接地，所述电压源的正极通过电流表连接所 述漏电极层；所述顶栅电极层连接所述另一个电压源的正极；所述两个电压源的负极连 接在一起；

探测过程中，所述的特异性选择层吸附目标物质并使其沉积到所述二维薄膜材料表 面。所探测的目标物质所带电荷会使得所述二维薄膜材料的掺杂情况发生改变，从而改 变所述二维薄膜材料的场效应输运性质，利用所述电压源和电流表，通过所述二维薄膜 材料上的源电极层、漏电极层及顶栅电极层进行场效应变化的测量。

有益效果：本发明的生物物质传感器不同于传统的传感器。首先，本发明的传感器 以二维材料薄膜层作为传感材料，在小型化上有很大的优势；其次，特异性吸附层能够 对特定的生物物质做出选择，因此在特异性探测上相比较传统传感器会更加精确；另外， 二维材料的场效应输运性质对于其表面的掺杂效应极其敏感，这将使得本发明的生物物 质探测器应用于高灵敏探测性能的领域成为可能。本发明和传统方法相比，有灵敏度高， 体积小，操作简单，能够实现痕量探测等优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有 技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一的基于层状材料的生物物质传感器的正视图；

图2为本发明实施例一的基于层状材料的生物物质传感器的俯视图；

图3为本发明实施例一的基于层状材料的生物物质传感器的左视图；

图4中示出了特异性吸附层吸附了特定生物物质之后二维层状薄膜材料表面掺杂状 态的改变；

图5为本发明实施例的特异性吸附层的合成方法流程图。

图6为本发明实施例的生物物质探测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基 于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有 其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2及图3所示，本发明实施例提供了一种基于层状材料场效应的生物物 质传感器，所述的传感器包括：绝缘层2，金属电极层3，二维材料薄膜层4，特异性吸 附层5及介质层6.

二维材料薄膜层4位于绝缘层2之上，金属电极层，包括源电极层31，漏电极层32 及顶栅电极层33，源电极层31和漏电极层32覆盖在二维材料薄膜层的两端上，顶栅电 极层33位于二维材料薄膜层和特异性吸附层的旁边并保持一定距离，源电极层31和漏 电基层32的表面覆盖有绝缘层34进行保护.特异性吸附层5位于二维材料薄膜层4的 上表面.介质层6覆盖在二维材料薄膜层4，特异性附着层5和金属电极层3表面。

在一实施例中，源电极层31，漏电极层32及顶栅电极层33均由5nm厚的钛及50nm 厚的金组成，其中源电极层31及漏电极层33表面还覆盖了10nm的绝缘层34，并非用 于限定。

在一实施例中如图1所示，压力传感器还包括：基底1，该基底1设置在绝缘层2 下面，基底1可以为硅等绝缘性材料，本发明仅以硅为例进行说明。

二维材料薄膜层4和特异性吸附层5为本发明的生物物质传感器的核心部分。可以 通过特异性吸附层5的吸附能力，将特定的生物物质吸附到二维材料薄膜层4的表面， 生物物质可以改变二维材料薄膜层4的掺杂状态，从而影响二维材料薄膜层4的场效应 输运性质，改变所述二维材料薄膜层的场效应曲线。

具体的，如图1所示，当铅离子进入介质层6后，被特异性吸附层5吸附，附着在 二维材料薄膜层4的表面。铅离子的正电荷使为二维材料薄膜层4引入电子掺杂，使得 其场效应输运曲线向左偏移。

本发明的生物物质传感器中的二维材料薄膜层可以为石墨烯薄膜晶体、过渡金属硫 族化物，过渡金属硫族化物可以为硫化钼及锡化钼等，本发明仅以石墨烯薄膜晶体，并 非用于限定。

本发明的生物物质传感器中的绝缘层2可以绝缘材料及介电材料，绝缘材料例如为 二氧化硅层、PMMA层及锗片，本发明仅以二氧化硅层作为绝缘层进行说明。

下面结合具体的例子简单介绍生物物质传感器的制作过程

石墨烯薄膜晶体的获得方法：

1)机械剥离法：在加工完后的氧化硅片上机械剥离出石墨烯薄膜晶体

2)CVD生长法：通过CVD在氧化硅表面得到石墨烯薄膜晶体

通过掩模板蒸镀或者电子束曝光蒸镀的方法制作金属电极层：

找好特定的石墨烯薄膜晶体，利用事先做好的掩模版对准石墨烯薄膜晶体，连同氧 化硅片和基底一起放入电子束蒸镀系统，并蒸镀5nm钛，50nm金和10nmSiO2的金属电 极层。去除掩模版后相应的金属电极层就会覆盖在石墨烯薄膜材料的两侧；或者在石墨 烯薄膜晶体上旋涂光刻胶并烘培，放入电子显微镜中，利用电子束在光刻胶上写下特定 的形状，被电子束写过的光刻胶性质发生改变，在显影液中浸泡后被去除，没有被电子 束写过的光刻胶则没有发生变化。随后连同氧化硅片和基底一起放入电子束蒸镀系统， 并蒸镀5nm钛，50nm金和10nmSiO2的金属电极层。再将样品放入丙酮溶液，去除剩余 的光刻胶以及附着在上面的金属，这样相应的金属电极层就会覆盖在石墨烯薄膜材料的 两侧。

特异性吸附层的合成与吸附：在实施例中，我们采用对于正二价铅离子有特异性吸 附能力的8-17DNA酶作为特异性吸附层，并在其末端加上芘环，利用芘环和石墨烯薄 膜材料的相互作用，将特异性吸附层附着在石墨烯薄膜材料的表面。8-17DNA酶由两条 链组成，分别为17E和17S。在这里要声明的是，我们采用的8-17DNA酶不同于一般的 8-17DNA酶，我们将原始17S中可以被分解的核苷酸腺嘌呤A换成了不可分解的脱氧核 苷酸腺嘌呤A。下面是吸附层的具体合成方法，亦可参照图5：

1.将芘丁酸(120mg,0.416mmol)、羟基丁二酰亚胺(53mg,0.458mmol)和N- 二异丙基乙胺(150μL，1.05mmol)溶于二氯甲烷(20mL)。向所得溶液加入1-(3- 二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(103mg,0.540mmol)。然后常温下搅 拌24小时并在真空中浓缩。

2.用硅胶快速色谱将所得残留物分离得到浅红色的芘-羟基丁二酰亚胺(78mg,产 量:48.6％)。

3.将17E(5’-GACATCTCTTCTCCGAGCCGGTCGAAATAGTGAGTTTTTT-3’,16.8nmol) 加入高压灭菌的去离子水，再加入8％的溴化十六烷基三甲铵(CTAB,5μL)使溶 液中的寡核苷酸沉淀。用13千转每分钟的速度离心。

4.重复加入8％的溴化十六烷基三甲铵(3ul)直到离心所得上层清液不会有寡核苷 酸沉淀。

5.移除上层清液，所得颗粒用高压蒸汽灭菌去离子水清洗三次，并溶于无水酒精 (600μl)，在冷冻干燥剂中干燥1.5小时。

6.将得到的寡核苷酸颗粒和之前的浅红色芘-N-羟基丁二酰亚胺(10mg,0.0259 mmol)混合，加入到60μl二甲基亚砜中，在常温下储存20个小时后加入1％的 高氯酸锂-丙酮溶液(1ml)，可得到白色沉淀。用13千转每分钟离心去除上层 清液。

7.得到的颗粒用1％的高氯酸锂-丙酮溶液(1ml)清洗两次，并再用无水酒精(1ml) 清洗三次最后得到的颗粒在空气中干燥。

8.把最终得到的颗粒溶解在300μl高压蒸汽灭菌去离子水中做长期储存(50μM)。

9.在所得溶液中加入17S(5’-ACTCACTATAGGAAGAGATGTC-3’,50μM)，形成 8-17DNA酶。

如图6所示，本发明实施例提供了一种生物物质探测系统，改系统包括：生物物质 传感器，电压源606、607和电流表608。

生物物质探测器包括：绝缘层601，二维薄膜材料602，金属电极层603，特异性吸 附层604，介质层605及基底609。

源电极层6031连接电压源606的负极并接地，电压源606的正极通过电流表608 连接漏电极层6032。顶栅电极层6033连接另一个电压源607的正极；所述两个电压源 606、607的负极连接在一起；

探测过程中，二维材料薄膜层603和特异性吸附层604为本发明的生物物质传感器 的核心部分。在此实施例中，特异性吸附层604对正二价铅离子的吸附能力使得二维材 料薄膜层表面被正二价铅离子覆盖。铅离子的正电荷给二维材料薄膜层引入电子掺杂， 从而影响二维材料薄膜层603的场效应输运性质，改变所述二维材料薄膜层的场效应曲 线。通过电压源606给出一个恒定的源漏偏置电压，并利用电压源607加入扫描的顶栅 电压，从电流表608即可读出场效应曲线。通过对比加入某特定溶液前后的二维材料薄 膜层的场效应曲线是否改变，可判定该溶液中存在铅离子。

本发明的生物物质传感器不同于传统的传感器。首先，本发明的传感器以二维材料 薄膜层作为传感材料，在小型化上有很大的优势；其次，特异性吸附层能够对特定的生 物物质做出选择，因此在特异性探测上相比较传统传感器会更加精确；另外，二维材料 的场效应输运性质对于其表面的掺杂效应极其敏感，这将使得本发明的生物物质探测器 应用于高灵敏探测性能的领域成为可能。

生物物质传感器的详细结构与图1至图3中描述的相同，请参见图1至图3及上述 对应的描述，不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序 产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面 的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的 计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计 算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图 和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流 程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机 程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理 器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产 生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功 能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方 式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令 装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或 多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算 机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或 其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图 一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是 用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本 发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容 不应理解为对本发明的限制。