一种基于石墨烯晶体管的DNA传感器及其制备方法和在DNA检测中的应用技术

本发明专利技术提供的基于石墨烯晶体管的DNA传感器，包括电子级玻璃和设置于所述电子级玻璃上的栅极、源极和漏极；所述源极和漏极之间设置有石墨烯沟道；所述栅极表面固定有单链DNA。本发明专利技术提供的基于石墨烯晶体管的DNA传感器中单链DNA直接固定在栅极表面，无需在石墨烯上固定DNA；其三电极结构和石墨烯沟道，使其对电压的变化感应非常强，很小的电压变化就会引起相应的电流变化；利用输入栅极的电压来控制石墨烯沟道电流，降低了操作电压；同时应用石墨烯为沟道材料，增大传感器的灵敏度。实验结果表明，本发明专利技术提供的基于石墨烯晶体管的DNA传感器探测器操作电压低于1V，检测灵敏度达到4pM。

A DNA sensor based on graphene transistor and its preparation method and its application in DNA detection

The present invention provides a DNA sensor based on a graphene transistor, including an electronic grade glass and a gate, source and drain on the electronic grade glass; the source and the drain have a graphene channel between the source and the drain; the gate surface is fixed with a single strand of DNA. The single strand DNA in the DNA sensor based on the graphene transistor based on the present invention is directly fixed to the gate surface without the need to fix the DNA on the graphene; its three electrode structure and the graphene channel make it sensitive to the voltage variation, and the small voltage changes will cause the corresponding current change; and the voltage of the input gate is used. To control the graphene channel current and reduce the operating voltage, graphene is used as channel material to increase the sensitivity of the sensor. The experimental results show that the operation voltage of the DNA sensor detector based on graphene transistors is lower than 1V and the detection sensitivity is 4pM.

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯晶体管的DNA传感器及其制备方法和在DNA检测中的应用
本专利技术涉及生物传感器
，特别涉及一种基于石墨烯晶体管的DNA传感器及其制备方法和在DNA检测中的应用。
技术介绍
生物传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器，是由固定化的生物敏感材料作识别元件、适当的理化换能器及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。随着分子生物学研究的深入，对脱氧核糖核苷酸的检测手段变得越来越重要。传统的凝胶电泳法需要经过放射性标记、聚合酶链式反应、电泳等一系列操作过程，消耗时间长，劳动强度大。在这种情况下，以碱基配对为基础的DNA传感器应运而生。用DNA传感器不仅省去了放射性标记的危险性，而且免除了电泳操作带来的时间和人力的大力消耗，因此近些年来受到了全世界科技工作的广泛重视。目前广泛应用于DNA检测的传感器根据不同的检测信号产生原理，具体分为石英晶体传感器、电化学传感器、光纤传感器、光波导传感器、表面等离子传感器等。近年来，高灵敏度和高选择性的石墨烯场效应晶体管生物传感器已被用于DNA的检测。但是现有技术中的石墨烯场效应晶体管生物传感器均采用两电极结构，在用于DNA检测时，需要将金纳米粒子固定在石墨烯上，然后连接DNA，操作困难；并且，低压下的灵敏度低，为了提高灵敏度，需要提高两电极之间的电流，安全性差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于石墨烯晶体管的DNA传感器及其制备方法和在DNA检测中的应用。本专利技术提供的基于石墨烯晶体管的DNA传感器无需金纳米粒子固定DNA，使用方便，并且在较低的使用电压下具有较高的灵敏度，安全性好。本专利技术提供了一种基于石墨烯晶体管的DNA传感器，包括电子级玻璃和设置于所述电子级玻璃上的栅极、源极和漏极；所述源极和漏极之间设置有石墨烯沟道；所述栅极表面固定有单链DNA。优选的，所述石墨烯沟道的宽度为0.2～0.3mm，石墨烯沟道的长度为4～8mm。优选的，所述石墨烯沟道为单层石墨烯。优选的，所述栅极、源极和漏极独立地包括铬层和金层，所述铬层位于电子级玻璃和金层之间。优选的，所述铬层的厚度为6～10nm，所述金层的厚度为70～90nm。优选的，所述单链DNA经巯基修饰固定于栅极表面。本专利技术还提供了上述技术方案所述基于石墨烯晶体管的DNA传感器的制备方法，包括以下步骤：(1)在电子级玻璃表面制备栅极、源极和漏极，使所述源极和漏极之间存在沟道；(2)将石墨烯平铺在源极和漏极之间的沟道上，得到石墨烯晶体管；(3)在所述步骤(2)得到的石墨烯晶体管的栅极表面固定单链DNA，得到基于石墨烯晶体管的DNA传感器。优选的，所述步骤(1)中栅极、源极和漏极的制备包括：采用热蒸发镀膜法在电子级玻璃表面依次蒸镀铬层和金层。优选的，所述步骤(2)中石墨烯的平铺包括：采用湿法转移将金属基底单层石墨烯转移至源极和漏极之间的沟道上。本专利技术还提供了上述技术方案所述基于石墨烯晶体管的DNA传感器或按照上述技术方案制备的基于石墨烯晶体管的DNA传感器在DNA检测中的应用，将所述基于石墨烯晶体管的DNA传感器的栅极和石墨烯沟道部分浸没于含有待测DNA的电解质中。本专利技术提供了一种基于石墨烯晶体管的DNA传感器，包括电子级玻璃和设置于所述电子级玻璃上的栅极、源极和漏极；所述源极和漏极之间设置有石墨烯沟道；所述栅极表面固定有单链DNA。本专利技术提供的基于石墨烯晶体管的DNA传感器中单链DNA直接固定在栅极表面，无需在石墨烯上固定DNA；其三电极结构和石墨烯沟道，使其对电压的变化感应非常强，很小的电压变化就会引起相应的电流变化；利用输入栅极的电压来控制石墨烯沟道电流，降低了操作电压；同时应用石墨烯为沟道材料，增大传感器的灵敏度。实验结果表明，本专利技术提供的基于石墨烯晶体管的DNA传感器探测器操作电压低于1V，检测灵敏度达到4pM。附图说明图1为本专利技术实施例1中基于石墨烯晶体管的DNA传感器的制备过程示意图；图2为本专利技术实施例1中基于石墨烯晶体管的DNA传感器中三电极结构的示意图；图3为本专利技术实施例1中基于石墨烯晶体管的DNA传感器检测10μM互补DNA时的转移特性曲线；图4为本专利技术实施例1中基于石墨烯晶体管的DNA传感器检测5μM非互补DNA时的转移特性曲线；图5为本专利技术实施例1中基于石墨烯晶体管的DNA传感器测试器件稳定性时的转移特性曲线；图6为本专利技术实施例1中单链DNA在扫描电镜下的形貌；图7为本专利技术实施例1中双链DNA在扫描电镜下的形貌；图8为本专利技术实施例1中双链DNA在荧光显微镜下的形貌；图9为本专利技术实施例3中基于石墨烯晶体管DNA传感器测试器件稳定性时的转移特性曲线；图10为本专利技术实施例3中基于石墨烯晶体管DNA传感器检测4pM的DNA时的转移特性曲线；图11为本专利技术实施例3中基于石墨烯晶体管DNA传感器检测4pM的DNA时的时间电流响应曲线；图12为本专利技术基于石墨烯晶体管DNA传感器的原理图。具体实施方式本专利技术提供了一种基于石墨烯晶体管的DNA传感器，包括电子级玻璃和设置于所述电子级玻璃上的栅极、源极和漏极；所述源极和漏极之间设置有石墨烯沟道；所述栅极表面固定有单链DNA。本专利技术提供的基于石墨烯晶体管的DNA传感器包括电子级玻璃。本专利技术对所述电子级玻璃的种类和来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售电子级玻璃即可。在本专利技术中，所述电子级玻璃优选为GL-10173-1.1。在本专利技术中，所述电子级玻璃作为石墨烯晶体管的基底。本专利技术对所述电子级玻璃的尺寸没有特殊的限定，根据器件大小进行调整即可。在本专利技术中，所述电子级玻璃的长和宽优选独立地优选为(10～15)mm，更优选为12mm；所述电子级玻璃的厚度优选为2mm。本专利技术提供的基于石墨烯晶体管的DNA传感器包括设置于所述电子级玻璃上的栅极、源极和漏极。在本专利技术中，所述栅极、源极和漏极优选顺次间隔设置于电子级玻璃的同一个表面上。在本专利技术中，所述源极和漏极之间优选形成宽度为0.2～0.3mm的沟道。本专利技术对所述栅极、源极和漏极的形状没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的电极的形状即可。在本专利技术中，所述栅极、源极和漏极优选独立地包括铬层和金层，所述铬层位于电子级玻璃和金层之间。在本专利技术中，所述栅极、源极和漏极中铬层的厚度独立地优选为6～10nm，更优选为8nm；所述栅极、源极和漏极中金层的厚度独立地优选为70～90nm，更优选为80nm。在本专利技术中，所述铬层使金层牢固地附着于电子级玻璃表面，避免后期操作中金层的脱落。在本专利技术中，所述栅极、源极和漏极的三电极结构使DNA检测过程中能够利用输入栅极的电压来控制沟道电流，实现低于1V的操作电压。本专利技术提供的基于石墨烯晶体管的DNA传感器包括设置于所述源极和漏极之间的石墨烯沟道。在本专利技术中，所述石墨烯沟道的宽度优选为0.2～0.3mm，石墨烯沟道的长度优选为4～8mm。在本专利技术中，所述石墨烯优选填充满源极和漏极之间的空隙。在本专利技术中，所述石墨烯沟道优选为单层石墨烯。在本专利技术中，所述石墨烯沟道能够增大传感器的灵敏度。本专利技术提供的基于石墨烯晶体管的DNA传感器包括固定于栅极表面的单链DNA。本专利技术对所述单链DNA的种类没有特殊的限定，根据待检测DNA链段进行选本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯晶体管的DNA传感器，包括电子级玻璃和设置于所述电子级玻璃上的栅极、源极和漏极；所述源极和漏极之间设置有石墨烯沟道；所述栅极表面固定有单链DNA。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯晶体管的DNA传感器，包括电子级玻璃和设置于所述电子级玻璃上的栅极、源极和漏极；所述源极和漏极之间设置有石墨烯沟道；所述栅极表面固定有单链DNA。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯晶体管的DNA传感器，其特征在于，所述石墨烯沟道的宽度为0.2～0.3mm，石墨烯沟道的长度为4～8mm。3.根据权利要求1或2所述的基于石墨烯晶体管的DNA传感器，其特征在于，所述石墨烯沟道为单层石墨烯。4.根据权利要求1所述的基于石墨烯晶体管的DNA传感器，其特征在于，所述栅极、源极和漏极独立地包括铬层和金层，所述铬层位于电子级玻璃和金层之间。5.根据权利要求4所述的基于石墨烯晶体管的DNA传感器，其特征在于，所述铬层的厚度为6～10nm，所述金层的厚度为70～90nm。6.根据权利要求1所述的基于石墨烯晶体管的DNA传感器，其特征在于，所述单链DNA经巯基修饰固定于栅极表面。7.权利要求1～6任意一项所述基于石墨烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：李金华，李珊珊，黄康，范钦，王贤保，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42