金属纳米颗粒复合二维材料异质结构传感器及制备方法

摘要

本发明公开了一种金属纳米颗粒复合二维材料异质结构传感器及制备方法。一种金属纳米颗粒复合二维材料异质结构DNA传感器，其特征是：由金属纳米结构和二维材料组成，所述金属纳米结构为金纳米颗粒或银纳米颗粒或铜纳米颗粒，所述二维材料为石墨烯和过渡金属硫化物，所述过渡金属硫化物为二硫化钼或二硫化钨。本发明通过将具有纳米场效应的石墨烯和有着天然的能带隙及较强的理化性质的TMDCs进行结合，制备了一种能够高灵敏检测DNA等生物分子的生物传感器。本发明制备金属颗粒复合的二维材料异质结构的方法简单易行，可以实现低成本、大规模地制备。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可以检测DNA生物分子的异质结构生物传感器，属于生物传感技术领域。本发明还涉及上述传感器的制备方法及应用。

背景技术

利用DNA信息对疾病进行诊断治疗是精准医疗的一把利剑，可以将疾病的诊断治疗带入分子水平，这引起了国内外的广泛关注。

通过对DNA上基因序列的综合分析可形成有价值的医学信息，最终设计出针对个体的最优解决方案，实现对疾病的早期预防、精确诊断和精准治疗。DNA 分子杂交检测被应用于克隆基因的筛选、酶切图谱的制作、基因组中特定基因序列的定性、定量检测和疾病的诊断等方面；DNA杂交的结合动力学及亲和力的测定有助于揭示生物分子过程中涉及的分子机制，并在系统生物学，个性化和精密医学中起着重要作用；单核苷酸多态性是近年来最有发展潜力的第三代分子标记，与个体药物反应差异性密切相关，可以被用于筛选癌症新的敏感位点，筛查药物反应和毒性相关位点；DNA甲基化作为调控基因表达的一种方式，在基因转录、细胞分化、肿瘤的发生中发挥重要作用，被应用于筛查结肠癌等疾病，预测药物敏感性，临床治疗骨髓异型增生综合征及其他肿瘤。

目前医疗机构主要依靠大型分析仪器对DNA进行检测，然而这些仪器昂贵、笨重、操作复杂，难以适应私人定制、精准医疗的发展趋势。近年来，各种用于检测DNA的小型传感装置逐渐成为研究的热点，其中基于场效应管(FET)的便携式生物传感器因具有免标记、成本低、灵敏度高、操作简单等优势被视为重要的下一代DNA检测工具。

FET生物传感器通过检测待测分子吸附到沟道材料表面时引起的电荷或电场的改变获得可供检测的电学信号，在DNA碱基变异、杂交检测等方面具有重要的应用。

《石墨烯的化学气相沉积法制备》中公开了制备了一种单晶单层石墨烯薄膜；申请号为201810537737.5的中国专利，制备得到了单晶单层石墨烯，上述文献中没有记载其他的二维材料及其异质结构。申请号为201510188964.8的中国专利，其制备了包括聚苯胺等和石墨烯的复合纤维，其不是制备金属纳米颗粒复合二维材料异质结构。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的一个目的是提供一种金属纳米颗粒复合二维材料异质结构DNA-FET传感器，其成本低，操作简单，能够高灵敏检测DNA等生物分子。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种金属纳米颗粒复合二维材料异质结构DNA传感器，其特征是：由金属纳米结构和二维材料组成，所述金属纳米结构为金纳米颗粒或银纳米颗粒或铜纳米颗粒，所述二维材料为石墨烯和过渡金属硫化物，所述过渡金属硫化物为二硫化钼或二硫化钨。

本发明中，传感器由金属纳米颗粒复合二维材料异质结构组成，石墨烯具有纳米场效应，TMDCs(过渡金属硫化物)有着天然的能带隙及较强的理化性质， TMDCs能够改变二维褶皱结构石墨烯的能带结构，当DNA分子与导电沟道材料表面的探针结合时，会改变导电沟道的电荷数，进而改变电流。金属颗粒在电场的作用下调节二维材料异质结构的电流强度，通过电流变化程度，达到检测DNA 分子的目的。

本发明的第二个目的是提供一种金属纳米颗粒复合二维材料异质结构DNA 传感器的制备方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)清洗铜箔，将铜箔放在石英管式炉中的石英管的中间，封闭真空管式炉并抽真空，升温至100-200℃时通入氢气，再升温至900-1100℃，然后恒温 0.5-1.5h退火，再通入甲烷，一段时间后停止通入甲烷，关闭加热器后降温至小于等于100℃时，停止通入氢气，室温下取出铜箔，铜箔的表面得到单晶单层石墨烯薄膜；

(2)将上述生长有单晶单层石墨烯膜的铜箔放入FeCl

(3)将过渡金属硫化物前体溶于二甲基甲酰胺配成溶液A，将溶液A进行超声处理，再将超声处理后的溶液A旋涂到步骤2中的石墨烯上，然后将旋涂有溶液A的石墨烯基底放入石英舟中，将石英舟放到石英管式炉的中心位置；

(4)将石英管式炉升温至180-220℃，然后通入氩气，再升温至450-550℃后通入氢气，一段时间后停止通入氢气，并停止加热，降温至180-220℃时停止通入氩气，温度降到室温，得到石墨烯/TMDCs异质结构材料；

(5)将上述的异质结构材料放入金或银或铜的酸性溶液中还原生长金属颗粒，制备出金属颗粒复合二维石墨烯/TMDCs异质结构材料；

(6)在上述的金属颗粒复合二维石墨烯/TMDCs异质结构材料两边制备电极和DNA溶液槽，完成传感器的制备。

本发明的制备方法中，先在石英管式炉中制备单晶单层石墨烯薄膜，然后在FeCl

进一步的，所述铜箔的厚度为30um，纯度为99.9％。

进一步的，步骤1中，甲烷和氢气的流速均为20-40sccm，甲烷的通入时间为25-35min；降温过程为自然冷却。

进一步的，步骤2中，FeCl

进一步的，步骤3中，过渡金属硫化物前体为四硫代钼酸铵或四硫代钨酸铵，溶液A的浓度为0.005-0.015g/mL，对溶液A超声处理的时间为30-150min。

进一步的，步骤4中，通入氩气后炉内气压为3.9-5.2帕；通入氢气后炉内气压为5.8-6.5帕；氩气的流速为70-90sccm，氢气的流速为15-25sccm，氢气的通入时间为80-100min，降温方式为自然降温。

进一步的，步骤5中，所述酸性溶液为氯金酸溶液或硝酸银溶液或硫酸铜溶液。

进一步的，所述酸性溶液为氯金酸溶液，氯金酸溶液的质量分数为0.1-1％，放入时间为20-40分钟，取出静置时间为5-10分钟，重复次数为2-5次。

本发明的第三个目的是提供一种上述的金属纳米颗粒复合二维材料异质结构DNA传感器在检测DNA生物分子中的应用。

本发明的有益效果是：1)本发明通过将具有纳米场效应的石墨烯和有着天然的能带隙及较强的理化性质的TMDCs进行结合，制备了一种能够高灵敏检测 DNA等生物分子的生物传感器；

2)利用热分解法分解四硫代钼酸铵或四硫代钨酸铵，可以实现在褶皱石墨烯表面的原位生长TMDCs避免了转移造成的材料损失；

3)本发明通过控制制备条件制备得到金属颗粒复合的二维材料异质结构，得到具有极高的物理吸附能力和灵敏的电学信号检测能力的生物传感器；

4)本发明制备金属颗粒复合的二维材料异质结构的方法简单易行，可以实现低成本、大规模地制备；

5)本发明的生物传感器制备方法成本低廉，应用价值高。

附图说明

图1为本发明中的金属颗粒复合的二维材料异质结构的SEM图；

图2为本发明中的金属颗粒复合的二维材料异质结构的DNA-FET剖面图；

图3为石墨烯场效应管检测图；

图4为本发明中的金属颗粒复合石墨烯/MoS2场效应管检测图；

图5为本发明的传感器的拉曼检测结果图。

具体实施方式

下面通过非限定性的实施例对本发明作进一步的说明：

实施例1

(1)将铜箔放入丙酮溶液超声，用酒精溶液清洗三次，再用去离子水彻底清洗三次；把干净的铜箔放在石英管式炉中的石英管中间，封闭真空管式炉，检查气密性；利用机械泵和分子泵抽真空至0.013帕以下；温度升到100℃后通入流速为20sccm的氢气；温度升到1000℃后保持该温度0.5h进行铜箔的退火处理；0.5h以后通入流量为40sccm的甲烷气体，在该温度和流速下保持30min，后关闭甲烷气体；关闭加热器，待温度降至100℃时关闭氢气，待自然冷却至室温，取出生长的单晶单层石墨烯，并将材料在真空条件下保存；

(2)将上述生长有单晶单层石墨烯膜的铜箔放在270g/L FeCl

(3)取0.01g四硫代钼酸铵粉末放到试管中，加入1mL的二甲基甲酰胺，配成溶液A，将溶液A超声100分钟，将四硫代钼酸铵以3000r/s的转速旋涂 30s到步骤2中的石墨烯上；将旋涂有四硫代钼酸铵的石墨烯基底放到石英舟中并放置到石英管式炉的中心；

(4)再次封闭石英管式炉并检查气密性，将石英管式炉升温至200℃后通入氩气，流速设置为80sccm.系统压力保持在3.9帕；温度上升到500℃后通入 20sccm的氢气，持续90分钟,系统压力保持在5.8帕左右；90分钟以后停止通入氢气，并关闭加热器；温度降到200℃,停止通入氩气，等待自然冷却成室温, 取出材料便可制得石墨烯/MoS

(5)将制备的石墨烯/MoS

(6)在上述的金属颗粒复合石墨烯/MoS

本实施例中，优选铜箔的厚度为30um，纯度为99.9％。

如附图1所示是本发明中的金属颗粒复合的二维材料异质结构的SEM图。

图2是本发明中的金属颗粒复合的二维材料异质结构的DNA-FET剖面图。

图3是石墨烯场效应管检测图；图4是本发明中的金属颗粒复合石墨烯/ MoS

图5为本发明的传感器的拉曼检测结果图。由图5可知，本发明的传感器的拉曼检测具有较高的灵敏度。

实施例2

(1)用丙酮和盐酸溶液清洗铜箔三次，再用去离子水彻底清洗三次；把干净的铜箔放在石英管式炉中的石英管中间，封闭真空管式炉，检查气密性；抽真空至0.67帕；温度升到200℃后通入流速为40sccm的氢气，气压变为5.3帕；温度升到1000℃后保持该温度1h进行铜箔的退火处理；1h以后通入流量为 40sccm的甲烷气体，气压变为7.9帕，在该温度和流速下保持25min，后关闭甲烷气体；关闭加热器，待温度降至100℃时关闭氢气，待自然冷却至室温，取出生长的单晶单层石墨烯，并将材料在真空条件下保存；

(2)将生长有单层单晶石墨烯膜的铜箔放在280g/L FeCl

(3)将石墨烯捞至镀有氧化铟锡膜的二氧化硅基底上，然后再滴入一滴乙醇溶液(乙醇与去离子水的体积比为1.5：1)覆盖整个石墨烯表面，石墨烯起皱，形成皱纹；

(4)取0.015g四硫代钼酸铵粉末放到试管中，加入1mL的二甲基甲酰胺，配成溶液A，将溶液A超声100分钟，将四硫代钼酸铵以3000r/s的转速旋涂 30s到事先制备的褶皱石墨烯基底材料(1X1cm)上；将旋涂有四硫代钼酸铵的起皱石墨烯基底放到石英舟中并放置到炉子的中心；

(5)再次封闭管式炉并检查气密性，炉子在上升到200℃后通入氩气，流速设置为90sccm.系统压力保持在5.2帕；温度上升到500℃后通入25sccm的氢气，持续90分钟,系统压力保持在6.5帕左右；90分钟以后停止通入氢气，并关闭加热器；温度降到200℃,停止通入氩气，等待自然冷却成室温，取出材料便可制备起皱石墨烯/MoS

(6)将制备的石墨烯/MoS

(7)在上述的金属颗粒复合石墨烯/MoS

本实施例中，优选铜箔的厚度为30um，纯度为99.9％。

实施例3

(1)将铜箔放入丙酮溶液超声，用酒精溶液清洗三次，再用去离子水彻底清洗三次；把干净的铜箔放在石英管式炉中的石英管中间，封闭真空管式炉，检查气密性；利用机械泵和分子泵抽真空至0.013帕以下；温度升到200℃后通入流速为20sccm的氢气；温度升到900℃后保持该温度1.5h进行铜箔的退火处理；1.5h以后通入流量为40sccm的甲烷气体，在该温度和流速下保持30min，后关闭甲烷气体；关闭加热器，待温度降至100℃时关闭氢气，待自然冷却至室温，取出生长的单晶单层石墨烯，并将材料在真空条件下保存；

(2)将上述生长有单晶单层石墨烯膜的铜箔放在250g/L FeCl3溶液中刻蚀；50分钟后，铜被完全腐蚀，石墨烯浮在溶液上；将石墨烯膜转移到去离子水中进行清洗，转移三次；清洗后的石墨烯放入表面镀有氧化铟锡膜的硅基底上，然后再滴入一滴乙醇溶液(乙醇与去离子水的体积比为1.5：1)覆盖整个石墨烯表面，石墨烯起皱，形成皱纹；

(3)取0.01g四硫代钼酸铵粉末放到试管中，加入1mL的二甲基甲酰胺，配成溶液A，将溶液A超声120分钟，将四硫代钼酸铵以3000r/s的转速旋涂 30s到步骤2中的石墨烯上；将旋涂有四硫代钼酸铵的石墨烯基底放到石英舟中并放置到石英管式炉的中心；

(4)再次封闭石英管式炉并检查气密性，将石英管式炉升温至180℃后通入氩气，流速设置为90sccm.系统压力保持在3.9帕；温度上升到550℃后通入 25sccm的氢气，持续100分钟,系统压力保持在5.8帕左右；100分钟以后停止通入氢气，并关闭加热器；温度降到200℃,停止通入氩气，等待自然冷却成室温,取出材料便可制得石墨烯/MoS

(5)将制备的石墨烯/MoS

(6)在上述的金属颗粒复合石墨烯/MoS2异质结构材料两边制备电极和 DNA溶液槽，完成传感器的制备。

本实施例中，优选铜箔的厚度为30um，纯度为99.9％。

实施例4

(1)将铜箔放入丙酮溶液超声，用酒精溶液清洗三次，再用去离子水彻底清洗三次；把干净的铜箔放在石英管式炉中的石英管中间，封闭真空管式炉，检查气密性；利用机械泵和分子泵抽真空至0.013帕以下；温度升到100℃后通入流速为20sccm的氢气；温度升到1000℃后保持该温度0.5h进行铜箔的退火处理；0.5h以后通入流量为40sccm的甲烷气体，在该温度和流速下保持30min，后关闭甲烷气体；关闭加热器，待温度降至100℃时关闭氢气，待自然冷却至室温，取出生长的单晶单层石墨烯，并将材料在真空条件下保存；

(2)将上述生长有单晶单层石墨烯膜的铜箔放在280g/L FeCl3溶液中刻蚀；30分钟后，铜被完全腐蚀，石墨烯浮在溶液上；将石墨烯膜转移到去离子水中进行清洗，转移三次；清洗后的石墨烯放入表面镀有氧化铟锡膜的硅基底上，然后再滴入一滴乙醇溶液(乙醇与去离子水的体积比为1.5：1)覆盖整个石墨烯表面，石墨烯起皱，形成皱纹；

(3)取0.01g四硫代钼酸铵粉末放到试管中，加入1mL的二甲基甲酰胺，配成溶液A，将溶液A超声30分钟，将四硫代钼酸铵以3000r/s的转速旋涂30s 到步骤2中的石墨烯上；将旋涂有四硫代钼酸铵的石墨烯基底放到石英舟中并放置到石英管式炉的中心；

(4)再次封闭石英管式炉并检查气密性，将石英管式炉升温至220℃后通入氩气，流速设置为70sccm.系统压力保持在3.9帕；温度上升到550℃后通入 15sccm的氢气，持续90分钟,系统压力保持在5.8帕左右；90分钟以后停止通入氢气，并关闭加热器；温度降到200℃,停止通入氩气，等待自然冷却成室温, 取出材料便可制得石墨烯/MoS2异质结构材料；

(5)将制备的石墨烯/MoS

(6)在上述的金属颗粒复合石墨烯/MoS

本实施例中，优选铜箔的厚度为30um，纯度为99.9％。

实施例5

(1)将铜箔放入丙酮溶液超声，用酒精溶液清洗三次，再用去离子水彻底清洗三次；把干净的铜箔放在石英管式炉中的石英管中间，封闭真空管式炉，检查气密性；利用机械泵和分子泵抽真空至0.013帕以下；温度升到100℃后通入流速为20sccm的氢气；温度升到1000℃后保持该温度0.5h进行铜箔的退火处理；0.5h以后通入流量为40sccm的甲烷气体，在该温度和流速下保持30min，后关闭甲烷气体；关闭加热器，待温度降至100℃时关闭氢气，待自然冷却至室温，取出生长的单晶单层石墨烯，并将材料在真空条件下保存；

(2)将上述生长有单晶单层石墨烯膜的铜箔放在270g/L FeCl

(3)取0.01g四硫代钨酸铵粉末放到试管中，加入1mL的二甲基甲酰胺，配成溶液A，将溶液A超声150分钟，将四硫代钨酸铵以5000r/s的转速旋涂 30s到步骤2中的石墨烯上；将旋涂有四硫代钨酸铵的石墨烯基底放到石英舟中并放置到石英管式炉的中心；

(4)再次封闭石英管式炉并检查气密性，将石英管式炉升温至200℃后通入氩气，流速设置为80sccm.系统压力保持在3.9帕；温度上升到500℃后通入 20sccm的氢气，持续90分钟,系统压力保持在5.8帕左右；90分钟以后停止通入氢气，并关闭加热器；温度降到200℃,停止通入氩气，等待自然冷却成室温, 取出材料便可制得石墨烯/WS

(5)将制备的石墨烯/WS

(6)在上述的金属颗粒复合石墨烯/WS

本实施例中，优选铜箔的厚度为30um，纯度为99.9％。

实施例6

(1)将铜箔放入丙酮溶液超声，用酒精溶液清洗三次，再用去离子水彻底清洗三次；把干净的铜箔放在石英管式炉中的石英管中间，封闭真空管式炉，检查气密性；利用机械泵和分子泵抽真空至0.013帕以下；温度升到200℃后通入流速为20sccm的氢气；温度升到900℃后保持该温度1.5h进行铜箔的退火处理；1.5h以后通入流量为40sccm的甲烷气体，在该温度和流速下保持30min，后关闭甲烷气体；关闭加热器，待温度降至100℃时关闭氢气，待自然冷却至室温，取出生长的单晶单层石墨烯，并将材料在真空条件下保存；

(2)将上述生长有单晶单层石墨烯膜的铜箔放在270g/L FeCl3溶液中刻蚀；50分钟后，铜被完全腐蚀，石墨烯浮在溶液上；将石墨烯膜转移到去离子水中进行清洗，转移三次；清洗后的石墨烯放入表面镀有氧化铟锡膜的硅基底上，然后再滴入一滴乙醇溶液(乙醇与去离子水的体积比为1.5：1)覆盖整个石墨烯表面，石墨烯起皱，形成皱纹；

(3)取0.005g四硫代钨酸铵粉末放到试管中，加入1mL的二甲基甲酰胺，配成溶液A，将溶液A超声150分钟，将四硫代钨酸铵以5000r/s的转速旋涂 30s到步骤2中的石墨烯上；将旋涂有四硫代钨酸铵的石墨烯基底放到石英舟中并放置到石英管式炉的中心；

(4)再次封闭石英管式炉并检查气密性，将石英管式炉升温至200℃后通入氩气，流速设置为80sccm.系统压力保持在3.9帕；温度上升到500℃后通入 20sccm的氢气，持续90分钟,系统压力保持在5.8帕左右；90分钟以后停止通入氢气，并关闭加热器；温度降到200℃,停止通入氩气，等待自然冷却成室温, 取出材料便可制得石墨烯/WS

(5)将制备的石墨烯/WS

(6)在上述的金属颗粒复合石墨烯/WS

本实施例中，优选铜箔的厚度为30um，纯度为99.9％。

实施例7

(1)将铜箔放入丙酮溶液超声，用酒精溶液清洗三次，再用去离子水彻底清洗三次；把干净的铜箔放在石英管式炉中的石英管中间，封闭真空管式炉，检查气密性；利用机械泵和分子泵抽真空至0.013帕以下；温度升到100℃后通入流速为20sccm的氢气；温度升到1050℃后保持该温度0.5h进行铜箔的退火处理；0.5h以后通入流量为40sccm的甲烷气体，在该温度和流速下保持30min，后关闭甲烷气体；关闭加热器，待温度降至100℃时关闭氢气，待自然冷却至室温，取出生长的单晶单层石墨烯，并将材料在真空条件下保存；

(2)将上述生长有单晶单层石墨烯膜的铜箔放在270g/L FeCl3溶液中刻蚀；50分钟后，铜被完全腐蚀，石墨烯浮在溶液上；将石墨烯膜转移到去离子水中进行清洗，转移三次；清洗后的石墨烯放入表面镀有氧化铟锡膜的硅基底上，然后再滴入一滴乙醇溶液(乙醇与去离子水的体积比为1.5：1)覆盖整个石墨烯表面，石墨烯起皱，形成皱纹；

(3)取0.01g四硫代钨酸铵粉末放到试管中，加入1mL的二甲基甲酰胺，配成溶液A，将溶液A超声150分钟，将四硫代钨酸铵以5000r/s的转速旋涂 30s到步骤2中的石墨烯上；将悬涂有四硫代钨酸铵的石墨烯基底放到石英舟中并放置到石英管式炉的中心；

(4)再次封闭石英管式炉并检查气密性，将石英管式炉升温至200℃后通入氩气，流速设置为80sccm.系统压力保持在3.9帕；温度上升到500℃后通入 20sccm的氢气，持续90分钟,系统压力保持在5.8帕左右；90分钟以后停止通入氢气，并关闭加热器；温度降到200℃,停止通入氩气，等待自然冷却成室温, 取出材料便可制得石墨烯/WS

(5)将制备的石墨烯/WS

(6)在上述的金属颗粒复合石墨烯/WS

本实施例中，优选铜箔的厚度为30um，纯度为99.9％。

实施例8

(1)将铜箔放入丙酮溶液超声，用酒精溶液清洗三次，再用去离子水彻底清洗三次；把干净的铜箔放在石英管式炉中的石英管中间，封闭真空管式炉，检查气密性；利用机械泵和分子泵抽真空至0.013帕以下；温度升到100℃后通入流速为20sccm的氢气；温度升到1100℃后保持该温度0.5h进行铜箔的退火处理；0.5h以后通入流量为40sccm的甲烷气体，在该温度和流速下保持30min，后关闭甲烷气体；关闭加热器，待温度降至100℃时关闭氢气，待自然冷却至室温，取出生长的单晶单层石墨烯，并将材料在真空条件下保存；

(2)将上述生长有单晶单层石墨烯膜的铜箔放在270g/L FeCl3溶液中刻蚀；50分钟后，铜被完全腐蚀，石墨烯浮在溶液上；将石墨烯膜转移到去离子水中进行清洗，转移三次；清洗后的石墨烯放入表面镀有氧化铟锡膜的硅基底上，然后再滴入一滴乙醇溶液(乙醇与去离子水的体积比为1.5：1)覆盖整个石墨烯表面，石墨烯起皱，形成皱纹；

(3)取0.01g四硫代钨酸铵粉末放到试管中，加入1mL的二甲基甲酰胺，配成溶液A，将溶液A超声150分钟，将四硫代钨酸铵以5000r/s的转速旋涂 30s到步骤2中的石墨烯上；将旋涂有四硫代钨酸铵的石墨烯基底放到石英舟中并放置到石英管式炉的中心；

(4)再次封闭石英管式炉并检查气密性，将石英管式炉升温至180℃后通入氩气，流速设置为90sccm.系统压力保持在3.9帕；温度上升到550℃后通入 25sccm的氢气，持续100分钟,系统压力保持在5.8帕左右；100分钟以后停止通入氢气，并关闭加热器；温度降到200℃,停止通入氩气，等待自然冷却成室温,取出材料便可制得石墨烯/WS

(5)将制备的石墨烯/MoS

(6)在上述的金属颗粒复合石墨烯/MoS

本实施例中，优选铜箔的厚度为30um，纯度为99.9％。

本实施例中的其他部分均为现有技术，在此不再赘述。