基于碳纳米管场效应管生物传感器的制备方法及应用技术

本发明专利技术属于生物化学、环境检测和食品安全技术领域中Hg

【技术实现步骤摘要】
基于碳纳米管场效应管生物传感器的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于生物化学、环境检测和食品安全
中Hg
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检测方法，尤其是基于碳纳米管材料场效应晶体管生物传感器，并结合锁相放大器，通过电流的变化，实现对Hg
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的检测。

技术介绍

[0002]Hg
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在自然环境中流动性强，在生物体内无法降解，却会不断蓄积。进入人体后，在脑组织中逐渐积累，达到一定量时就会对脑组织造成损害，进而侵害神经系统。对汞进行特异性、高灵敏性检测具有重要的意义。然而目前部分传感器对Hg
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的检测部分灵敏度较低，检测时间较长，部分程序复杂、成本较高，实验材料易降解等特点。因此需要开发一种对Hg
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实现快速、高灵敏性检测的传感器。
[0003]场效应晶体管(field effect transistor,FETs)生物传感器，主要采用纳米材料或有机半导体(OSC)材料作为通道传感膜，如碳纳米管、石墨烯、pentacene等。场效应晶体管器件通常由源极、漏极和栅极端子组成，其中源极和漏极(I
D
)端子之间的半导体沟道中的电流由栅极端子的电压(V
G
)和源漏极(V
SD
)端子之间施加的电压产生的电场调节。场效应管生物传感器在对蛋白质、核酸和病毒等检测时，由于其具有高选择性、高灵敏度、实时响应和无标记检测等特点，已被广泛应用于生物领域，是应用最广、发展最快的生物传感器。
[0004]碳纳米管是一种重要的碳同素异形体，由sp2杂化碳原子的圆柱体制成的有序的中空石墨纳米材料，分为单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)。SWNT即单层石墨烯“卷成”管，形状如从一端延伸至另一端的单层圆柱，具有良好的直径均匀性(1
‑
2nm)和卓越的光稳定性。当碳纳米管用作传感器电极材料时，其本身独特的优异性能：比表面积大、表面活性高、催化效率高、表面带有较多的功能基团等，能提高生物识别分子(酶、DNA、抗原/抗体等)在碳纳米管电极的固定效率，是一种理想的电极材料。与常规的固态碳传感器相比，碳纳米管制作的传感器的灵敏度高、反应速度快、检测范围广。而半导体碳纳米管(sc
‑
CNTs)具有超薄的一维结构，优异的电子特性和生物相容性，可以结合FET生物传感器的快速、灵敏以及无标记检测等优点，形成一种碳纳米管场效应管(CNTFET)生物传感平台。CNTFET是在带有二氧化硅绝缘层的硅衬底表面制备金属电极作为源、漏电极，两电极之间连接特定的碳纳米管作为导电沟道，并引入栅极，以施加的栅源电压对输出电流进行栅控来达到导通和关闭的电子器件。
[0005]锁相放大(lock
‑
in amplifier(LIA))，是一种可实时的测量动态信号的电子仪器装置，取决于于仪器的动态储备，具有很强的抗噪声能力。LIA主要由振荡器、混频器和低通滤波器等部分组成，针对被掩埋在噪声中的微弱信号，利用正交性原理，保留选定频率的信号，削弱噪声的影响，通过频率的变换，将信号精确提取出来,从而达到高灵敏性、搞特异性检测Hg
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的目的。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术基于利用CNTFET作为Hg
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检测的超灵敏传感器，含有多T的DNA序列可功能性地附着在碳纳米管表面，以选择性地对Hg
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进行测定。以表面含有一定厚度SiO2绝缘层的Si片为衬底，将碳纳米管连接在衬底上的源、漏电极之间作为导电沟道，并以Si衬底作为背部栅极(或门电极)，即构成CNTFET。当带电的生物分子吸附到碳纳米管上，会调节CNTFET的能带结构，源、漏电极间的电流会随之发生变化。本专利技术利用“T
‑
Hg
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‑
T”的稳定结构，在纳米管电极之间连接Hg
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和其相关的特异性DNA序列，使得该序列构象发生变化，从而引发电流的相应改变，以此实现Hg
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的高灵敏性检测。
[0007]采用凝聚剂DAN与碳纳米管sp2平面之间的π
‑
π相互作用堆积在CNT的侧平面上，即在CNTFET表面滴加DAN溶液，反应一段时间后，用磷酸盐缓冲溶液(PBS，pH 7.4)冲洗，在表面滴加戊二醛(GA)，通过Schiff反应结合DAN，用PBS冲洗芯片以去除多余的GA后，将DNA固定在碳纳米管表面的GA上，再次用PBS冲洗多余的DNA，结合锁相放大器测其电学特性。最后将不同浓度Hg
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滴至碳纳米管表面，测得该CNTFET传感器特异性检测Hg
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的情况。
[0008]一种基于碳纳米管场效应管生物传感器的制备方法，及该生物传感器在Hg
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检测方面的应用，包括如下步骤：
[0009](1)设计
[0010]按检测原理设计DNA序列，送去生物公司合成。将获得的DNA序列溶于纯水中，终浓度为20μM。
[0011]DNA：5
′‑
NH2‑
TTT TTT GGG TGG GTG GGT GGG TTT TTT T
‑3′
[0012](2)利用化学气相沉积法(CVD)法制备碳纳米管
[0013]用浓硫酸和双氧水以7:3的比例浸泡并加热一定规模大小的硅片约2h，用超纯水超声洗涤，氮气吹干，放置真空下备用。
[0014]制备催化剂：将FeCl3粉末，溶解于水中，搅拌至固体溶解完全。用移液枪吸取该溶液，逐滴加入到沸水中，溶液与沸水的体积比为1:35，溶液缓慢的由橙色变成桔红色，意味着FeCl3已经开始水解，生成了Fe(OH)3胶体，继续保持微沸，冷却至室温，即可得到Fe(OH)3胶体溶液。将该溶液加入乙醇中稀释，得到终浓度为0.05mmol/L的Fe(OH)3，将其放置超声清洗机中超声使其混合均匀，即可得到生长单壁碳纳米管的催化剂前驱体(溶液)。
[0015]取出上述处理好的硅片，在每块硅片的一侧用催化剂轻划涂抹。将涂好催化剂的硅片放在石英舟上送入马弗炉，置于炉腔中间。首先将炉内保持真空状态，然后在质量流量控制器监控下通入氩气(Ar：212SCCM)；加热至950℃并保持温度不变；然后通入氢气(H2：297SCCM)，十分钟后通入碳源
‑
乙醇(氩气为载气)，并于25min之后逐步关闭乙醇、氢气、氩气，马弗炉开始降温至冷却。
[0016]利用扫描电子显微镜观察碳纳米管生长情况。
[0017](3)蒸镀金电极
[0018]利用3M透明胶，将铜网粘到碳管生长情况较为理想的硅片上，然后在硅片上蒸镀80nm的Cr和200nmAu。蒸镀Cr的目的是使硅片与蒸镀上的金电极更好的接触。
[0019](4)检测蒸镀金电极之后的电流
[0020]在硅片衬底上修饰上金电极之后，采用锁相放大器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于碳纳米管场效应管生物传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)设计按检测原理设计DNA序列，将获得的DNA序列溶于纯水中，终浓度为20μM，DNA：5
′‑
NH2‑
TTT TTT GGG TGG GTG GGT GGG TTT TTT T
‑3′
(2)利用化学气相沉积法法制备碳纳米管用浓硫酸和双氧水以7:3的比例浸泡并加热一定规模大小的硅片约2h，用超纯水超声洗涤，氮气吹干，放置真空下备用；制备催化剂：将FeCl3粉末，溶解于水中，搅拌至固体溶解完全；吸取该溶液，逐滴加入到沸水中，溶液与沸水的体积比为1:35，继续保持微沸，冷却至室温，再加入乙醇稀释，得到终浓度为0.05mmol/L的Fe(OH)3；取出上述处理好的硅片，在每块硅片的一侧用上述制得的催化剂轻划涂抹；将涂好催化剂的硅片放在石英舟上送入马弗炉，置于炉腔中间；首先将炉内保持真空状态，然后在质量流量控制器监控下通入氩气；加热至950℃并保持温度不变；然后通入氢气，十分钟后通入碳源
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乙醇，并于25min之后逐步关闭乙醇、氢气、氩气，马弗炉开始降温至冷却；(3)蒸镀金电极利用3M透明胶，将铜网粘到碳管硅片上，然后在硅片上蒸镀80nm的Cr和200nm Au；(4)检测蒸镀金电极之后的电流在硅片...

【专利技术属性】
技术研发人员：高力，张瑶，吕秋香，
申请(专利权)人：镇江永晨科技有限公司，
类型：发明
国别省市：