一种多参数集成的仿生气味感受芯片及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种多参数集成的仿生气味感受芯片及其制备方法和应用，该传感芯片最大的特点是结合MEMS技术和仿生传感技术将几十种人类嗅觉受体蛋白和场效应晶体管集成在同一芯片上，具有高通量、小尺寸、高集成度和低能耗的特点。当气体分子与芯片上的嗅觉受体蛋白结合后，引起蛋白质构相变化，改变场效应晶体管的栅极电流，将电流信号归一化处理，构建不同气体分子的响应图谱形成气味数据库，利用嗅觉受体蛋白的交叉敏感性，结合模式识别算法可实现对大量不同气味的高维度检测和准确识别。本发明专利技术提供的气味感受芯片在空气质量监测、食品安全和危害品检测等领域具有广泛的应用前景。景。景。

【技术实现步骤摘要】
一种多参数集成的仿生气味感受芯片及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及仿生气味检测
，尤其涉及一种基于人类嗅觉受体蛋白和FET传感器阵列的气味感受芯片。

技术介绍

[0002]气体检测技术在食品安全、工业生产、国防安全和医疗健康领域都具有巨大的经济和社会效益，其核心部件为气体传感器芯片。传统的气体传感器包括：半导体、电化学、催化燃烧式、热导式和红外线气体传感器。现有气体传感器存在敏感元件种类少、能耗高、选择性差、集成度低等问题，限制了其在工业物联网、安防、军工、食品等领域的广泛应用。
[0003]人类嗅觉受体蛋白是嗅觉受体神经元细胞膜上表达的化学感受器，负责检测产生嗅觉的气味。人类嗅觉系统由400多种嗅觉受体蛋白构成，凭借着嗅觉受体蛋白的交叉特异性，可以实现对千万种气味的识别。利用人类嗅觉受体蛋白作为仿生气味感受芯片的敏感元件，可以在体外最大程度的还原人类嗅觉系统。将数十种嗅觉受体蛋白与场效应晶体管阵列共价耦合，构建仿生气味感受芯片，能够有效提高传统气体传感器的检测范围、准确度及灵敏度。实现对复杂气味的高维度检测和准确识别，进一步模拟人类的嗅觉真实感受。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是如何提供一种基于人类嗅觉受体蛋白的气体传感器阵列及其制作方法，该气体传感器阵列的检测参数多，集成度高，灵敏度高，可批量生产。
[0005]本专利技术所提出的技术问题是通过以下技术来解决的：第一方面，本专利技术提供了一种多参数集成的仿生气味感受芯片，该芯片包括：若干个相互独立的石墨烯FET传感器，每一个石墨烯FET传感器上包括氧化硅基底、源电极、漏电极、石墨烯栅电极、源极引线、漏极引线、栅极引线、嗅觉受体蛋白和焊盘；其中源电极、漏电极和石墨烯栅电极附着在氧化硅基底上；石墨烯栅电极位于源电极、漏电极中间，三个电极分别通过对应的源极引线、漏极引线和栅极引线与焊盘相连；嗅觉受体蛋白固定在石墨烯栅电极表面；嗅觉受体蛋白作为传感器的石墨烯FET敏感材料，与气体分子结合后发生构象改变，引起FET传感器漏电流的变化，由于每个FET器件都有不同的电流响应，芯片对不同气体具有各异的响应热图，结合模式识别算法实现不同种类气体的检测。
[0006]进一步地，所述源电极和漏电极材质为金，栅电极的材质为石墨烯；
[0007]进一步地，所述嗅觉受体蛋白为人类嗅觉受体蛋白，分别修饰在FET传感器相互独立的石墨烯栅电极上。
[0008]第二方面，本专利技术还提供了一种基于多参数集成的仿生气味感受芯片的制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1、采用硅片作为衬底，并对硅片进行有机清洗；
[0010]S2、在硅片表面制备氧化硅层；
[0011]S3、将石墨烯薄膜转移到在氧化硅基底上；
[0012]S4、在石墨烯薄膜上刻蚀出栅极图案，作为FET器件的石墨烯栅极；
[0013]S5、在氧化硅层上制作出源电极、漏电极、源电极导线、漏电极导线和焊盘；
[0014]S6、在源电极导线和漏电极导线上形成一层氧化硅绝缘层；
[0015]S7、对硅片进行划片与封装；
[0016]S8、采用无细胞体系法表达人类嗅觉受体蛋白；
[0017]S9、采用蛋白质纯化装置提纯嗅觉受体蛋白；
[0018]S10、利用微型挤出机构建磷脂囊泡，将嗅觉受体蛋白、磷脂囊泡和Brij35混合并转移至透析膜中透析3
‑
4天，离心60分钟收集三维重建的嗅觉受体蛋白；
[0019]S11、将重组后的嗅觉受体蛋白滴涂在多聚赖氨酸处理过的FET阵列石墨烯栅电极5上，通过静电吸附作用，完成嗅觉受体蛋白与石墨烯FET芯片的界面耦合。
[0020]第三方面，本专利技术还提供了一种基于多参数集成的仿生气味感受芯片在气味检测上的应用。
[0021]进一步地，气味检测包括以下步骤：
[0022](1)信号检测：石墨烯FET传感器用超纯水清洗，并用N2干燥，在每个独立的石墨烯FET传感器表面滴上20μL待测气味缓冲溶液，并将焊盘用导线与源表相连，通过Keithley2636A源表记录电压
‑
电流特性曲线；
[0023](2)气味响应热图构建：测试数百种已知气味，提取不同种类气味处理后每个FET敏感单元的信号特征[I，n]，其中I为峰值电流信号值，n为FET敏感单元的编号，包含了石墨烯FET传感器的空间位置信息，将峰值电流信号转换构建成可视化响应热图，形成气味响应图谱数据库；
[0024](3)气味识别：当未知气体反应后，提取每个FET敏感单元的信号特征[I，n]，将信号特征转换为一维数组，通过计算该数组与气味响应数据库的欧式距离，对比欧式距离并选择最接近值，实现气味识别。
[0025]本专利技术具有以下有益效果：
[0026](1)本专利技术提供了一种多参数集成的仿生气味感受芯片，其敏感元件为16种人类嗅觉受体蛋白和石墨烯FET阵列，可对不同气味产生具有特异性的响应热图，理论上能够可以产生65536种响应热图，结合模式识别算法，大大提高了气体传感器的分辨率和检测能力。
[0027](2)本专利技术相对于传统的气体传感器，采用人类嗅觉受体蛋白作为传感器敏感元件，石墨烯FET作为换能器，无需对传感器加热，具有精度高、低能耗、快速响应等优点。
[0028]根据以上优点，本专利技术为仿生气体传感器的研究与应用开创了新的途径。
附图说明
[0029]图1是本专利技术一种多参数集成的仿生气味感受芯片的整体结构图
[0030]图2是本专利技术中嗅觉受体蛋白与单个FET器件耦合的示意图；
[0031]图3是本专利技术的气味测试后单通道FET器件电导率特性曲线的变化图；
[0032]图4是本专利技术的气味响应热图示意图；
[0033]图中，焊盘1、源电极导线2、源电极3、漏电极4、石墨烯栅极5、漏电极导线6、嗅觉受体蛋白7、石墨烯层8、氧化硅层9。
具体实施方式
[0034]以下结合附图和实施案例对本专利技术作进一步详细描述，但不是限制本专利技术。
[0035]如图1、2所示，图1是石墨烯FET传感器阵列的电极结构俯视图，每个FET单元上修饰了不同的嗅觉受体蛋白；图2是单个石墨烯FET传感器的结构示意图。
[0036]实施例1：
[0037]如图1所示，本专利技术一种多参数集成的仿生气味感受芯片，该芯片包括焊盘1、源电极导线2、源电极3、漏电极4、石墨烯栅极5、漏电极导线6、嗅觉受体蛋白7、石墨烯层8；其中焊盘1、源电极导线2、源电极3、漏电极4、石墨烯栅极5、漏电极导线6附着在氧化硅层9上；石墨烯栅极5位于源电极3和漏电极4中间；源电极3通过源电极导线2、漏电极4通过漏电极导线6依次连接至芯片四周的焊盘1上。
[0038]如图2所示，嗅觉受体蛋白7固定在石墨烯栅极5上的石墨烯层8上；所述源电极3、漏电极4、源电极导线2、漏电极导线的尺寸为微米级，材质为金；所述嗅觉受体蛋本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多参数集成的仿生气味感受芯片，其特征在于，该芯片包括：若干个相互独立的石墨烯FET传感器，每一个石墨烯FET传感器上包括氧化硅基底、源电极、漏电极、石墨烯栅电极、源极引线、漏极引线、栅极引线、嗅觉受体蛋白和焊盘；其中源电极、漏电极和石墨烯栅电极附着在氧化硅基底上；石墨烯栅电极位于源电极、漏电极中间，三个电极分别通过对应的源极引线、漏极引线和栅极引线与焊盘相连；嗅觉受体蛋白固定在石墨烯栅电极表面；嗅觉受体蛋白作为传感器的石墨烯FET敏感材料，与气体分子结合后发生构象改变，引起FET传感器漏电流的变化，由于每个FET器件都有不同的电流响应，芯片对不同气体具有各异的响应热图，结合模式识别算法实现不同种类气体的检测。2.根据权利要求1所述的一种基于多参数集成的仿生气味感受芯片，其特征在于，所述源电极和漏电极材质为金，栅电极的材质为石墨烯；3.根据权利要求1所述的一种基于多参数集成的仿生气味感受芯片，其特征在于，所述嗅觉受体蛋白为人类嗅觉受体蛋白，分别修饰在FET传感器相互独立的石墨烯栅电极上。4.一种基于多参数集成的仿生气味感受芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采用硅片作为衬底，并对硅片进行有机清洗；S2、在硅片表面制备氧化硅层；S3、将石墨烯薄膜转移到在氧化硅基底上；S4、在石墨烯薄膜上刻蚀出栅极图案，作为FET器件的石墨烯栅极；S5、在氧化硅层上制作出源电极、漏电极、源电极导线、漏电极导线和焊盘；S6、在源电极导线和漏电极导线上形成一层氧化硅绝缘层；S7、对硅片进...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘宇祥，王镝，许锋，程晨，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：