一种可再生场效应晶体管生物传感器制造技术

本申请提供了一种基于光催化的可再生场效应晶体管生物传感器及其制备方法。本申请的生物传感器从下到上依次包括衬底，粘连层，光催化剂、单层石墨烯；其中分散状态的光催化剂位于石墨烯与粘连层间；石墨烯两端设有金属电极并引出导线，两端金属电极之间有导电沟道。本申请的生物传感器中位于石墨烯下表面和高分子粘合剂间的光催化剂可以有效避免已有技术中传感灵敏度不够高、再生复现性能差的缺陷；并为器件表面的进一步修饰提供便利，以拓展该可再生传感器的多种检测用途。展该可再生传感器的多种检测用途。展该可再生传感器的多种检测用途。

【技术实现步骤摘要】
一种可再生场效应晶体管生物传感器


[0001]本申请属于生物传感器领域，具体地，本申请提供了一种基于光催化的可再生场效应晶体管生物传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]石墨烯是一种单层的碳原子二维材料，具有载流子迁移率高、导热性好及力学性能高等优势，其单层的二维晶体结构为发展高灵敏度的生物传感器提供了优势。石墨烯场效应晶体管生物传感器因其灵敏度高、免标记、分析快速和易于功能集成化等优异性质而备受医学检测及基础科学研究人员的青睐，有关其制备及应用的研究一直科学研究的关键问题。然而，目前用于基础研究和实际检测中的石墨烯生物传感器通常为一次性使用，或是通过极其复杂的处理才能重复利用，使得其在研制及使用过程中产生较高的成本，造成材料浪费及环境污染等问题，并且由器件差异导致的检测误差也难以避免；通过发展新型可再生的石墨烯场效应晶体管，实现石墨烯生物传感器兼具高灵敏性和可重复使用的稳定性是极其必要的研究。光催化降解吸附在传感器表面的生物分子为制造可再生的石墨烯生物传感器提供了独特的研究思路。其中，二氧化钛由于成本低、来源广、无污染、生物兼容性好等特点，并且可以降解近3000种水中的有机物而被广泛用于光催化降解污染物领域。
[0003]中国专利号201520272425.8公开了一种光可逆的场效应晶体管生物传感器，其特征在于基底层上设有电极对，金属电极对间设有导电通道，导电通道由还原氧化石墨层和沉积在石墨烯层上的还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物覆盖在两电极之间形成；然而由于还原氧化石墨烯与还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物间的网络结构间存在不稳定的电学搭接，会影响器件的电子输运性能，进而影响场效应晶体管传感器的噪声特性、检测灵敏性及稳定性等。

技术实现思路

[0004]传统的制备石墨烯场效应晶体管的工艺中通常涉及让石墨烯或还原氧化石墨烯与衬底(硅基衬底或石英等)间通过加热、真空长时间放置等过程而紧密贴合，故难以将其他功能材料分子置于衬底与石墨烯层间，以免影响其贴合的紧密程度而导致后续制备流程失效。为了获得性能更优的场效应晶体管传感器，申请人设计了新的基于光催化的可再生场效应晶体管生物传感器结构。本专利技术专利将光催化剂沉积在单层石墨烯表面，将该表面与高分子树脂粘连，位于石墨烯下表面的光催化剂粒子不会影响石墨烯自身的优异的电学输运特性，即不影响传感器的灵敏度，同时也不影响石墨烯上表面进行进一步的功能化修饰，以用于检测不同的生物分子。待检测完生物分子后，通过数分钟的紫外光照，即可有效降解传感器表面结合的生物分子，从而实现再次利用，降低不必要的耗材及污染的代价。
[0005]一方面，本申请提供了一种基于光催化的石墨烯场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述生物传感器从下到上依次包括衬底，粘连层，光催化剂、单层石墨烯；其中分散状态的光催化剂位于石墨烯与粘连层间；石墨烯两端设有金属电极并引出导线，两端金属
电极之间有导电沟道。
[0006]进一步地，所述衬底可选玻璃，石英或硅片。
[0007]进一步地，所述粘连层为高分子树脂粘连层。
[0008]进一步地，所述高分子树脂粘连层可选环氧树脂或PDMS。
[0009]进一步地，所述光催化剂可选锐钛矿型二氧化钛，二氧化钛P25或ZnS量子点。
[0010]进一步地，所述单层石墨烯可选通过化学气相沉积法生长在铜箔上的石墨烯，机械剥离的石墨烯。
[0011]进一步地，光催化剂通过滴涂、旋涂、浸泡及加热等方式沉积在单层石墨烯表面。
[0012]进一步地，除沟道外，石墨烯表面含电极的部分由高分子树脂封装，留出沟道部分盛装含待测生物分子的溶液，溶液外接栅电极。
[0013]进一步地，用于封装电极的高分子树脂为环氧树脂。
[0014]另一方面，本申请提供了上述生物传感器在制备检测生物分子的试剂盒或设备中的应用。
[0015]本申请的衬底、粘连层/高分子树脂粘连层、光催化剂、单层石墨烯制备方法、光催化剂的沉积方法、电极封装材料不限于可选具体种类外，满足相应支持、粘结、光催化性能的已知或研究中的衬底、粘连层/高分子树脂粘连层、光催化剂材料均可用于本申请；在紫外光下稳定的各种封装材料均可用于本申请；本领域技术人员也可以根据本领域的现有知识和技术发展情况选用各种可行的单层石墨烯制备方法、光催化剂的沉积方法。
[0016]本申请中所述的生物分子包括但不限于各种生物大分子和小分子，例如各种大小的蛋白、多肽、氨基酸、核酸、脂质分子、葡萄糖、多糖、生物信号分子，如化学有机小分子等。
[0017]石墨烯上表面可以根据检测要求进行进一步的功能化修饰，包括但不限于：通过N
‑
羟基琥珀酰亚胺酯1
‑
芘丁酸(1
‑
pyrenebutyric acid N
‑
hydroxysuccinimide ester,PBASE)将特定的抗原共价结合在石墨烯的表面进行抗体的筛选或者将抗体修饰在其表面进行病毒蛋白的检测，或者通过π
‑
π相互租用将识别葡萄糖的酶修饰在石墨烯表面以检测葡萄糖，也可通过表界面间的物理或化学相互作用(如物理吸附、静电吸附、范德华作用等)将识别不同生物分子的探针分子修饰在其表面，以达到不同的检测目的。相比在还原氧化石墨层上放置还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物的结构，本专利技术中的修饰方式利用了石墨烯原有的大比表面积，拥有更多的修饰空间及结合作用，从而能修饰更多的识别分子，提升器件的检测灵敏性。
[0018]本申请中所述的二氧化钛P25是指80％：20％的锐钛矿：金红石组成的材料。
[0019]本专利技术专利的有益效果：
[0020]本专利技术专利提供的场效应晶体管生物传感器可以对生物分子进行高效、灵敏、实时的检测，无需标记，通过数分钟的紫外光照射即可再生利用；处于石墨烯下表面和高分子粘合剂间的光催化剂可以有效避免已有技术中传感灵敏度不够高、再生复现性能差的缺陷，即位于石墨烯上表面的被还原氧化石墨烯包覆的二氧化钛粒子的移动降低了载流子的输运能力而影响传感的灵敏性和器件的再生性；同时，位于石墨烯下表面的光催化剂纳米颗粒也不影响石墨烯上表面大的传感区域及后续对器件表面进行进一步的功能化修饰。
附图说明
[0021]图1为图1为本专利技术专利可再生石墨烯场效应晶体管生物传感器的结构示意图，其中：1为衬底，2为高分子粘连层，3为光催化剂，4为单层石墨烯传感材料，5为金属电极，6为包覆电极的高分子树脂，7为导电沟槽中含待测生物分子的溶液，8为栅电极。
[0022]图2为通过电学信号检测仪器获得的可再生石墨烯场效应晶体管生物传感器的转移特性曲线，可表征其电阻及狄拉克点的变化，用于表明器件检测生物分子的灵敏性及其经多次紫外光照后再生利用时的电学特性变化。其中，线1
‑
5代表第1次使用、第2次使用(即紫外光第1次照射后再生利用)
……
第5次使用(即紫外光第4次照射后再生利用)的石墨烯转移特性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光催化的石墨烯场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述生物传感器从下到上依次包括衬底，粘连层，光催化剂、单层石墨烯；其中分散状态的光催化剂位于石墨烯与粘连层间；石墨烯两端设有金属电极并引出导线，两端金属电极之间有导电沟道。2.根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述衬底可选玻璃，石英或硅片。3.根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述粘连层为高分子树脂粘连层。4.根据权利要求1所述的生物传感器，其中高分子树脂粘连层可选环氧树脂或PDMS。5.根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述光催化剂可选锐钛矿型二氧化钛，二氧化钛P25或ZnS量子点。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：符汪洋，琪其格，张晓艳，经求是，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：