一种基于氧化锌和高电子迁移率晶体管生物传感器及制备方法，属于纳米材料应用领域。其特征是：使用分子束外延（MBE）系统来制备AlGaAs/GaAsHEMT层状结构。然后使用热蒸镀的方法来制备镍/锗金/镍/金合金电极，再在器件表面沉积二氧化硅绝缘层，即可获得AlGaAs/GaAsHEMT。气固法用于制备T-ZnO。将T-ZnO修饰在HEMT的栅极上，并依次在T-ZnO层上滴加生物酶溶液与Nafion溶液。制备好的器件置于低温中保存一段时间，既可以用来对相对应的生物溶液进行溶液浓度探测。本发明专利技术优点是：制备出的器件可以通过在栅极修饰不同的生物酶来探测相对应的生物溶液的浓度，灵敏度高，探测极限低，探测范围广，响应速度快，结构简单，性能稳定，为以后的实际应用提供了可能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于纳米材料应用领域，将半导体器件与生物测量相结合，既充分发挥了半导体器件的即时响应，又实现了对生物分子的微量测量。
技术介绍
随着纳米科学与技术的不断发展，越来越多的研究成果被运用到生物医用领域。 对于生物分子实现微量测量，可以让我们更好地掌握和控制人体的健康情况。如对尿酸分子实行微量测量，我们可以对可能患痛风者进行预先防治，使其患痛风的概率大大减小。又如对葡萄糖分子的微量测量，可以让我们对潜在的糖尿病有一个先期预防，大大降低糖尿病的发病几率。生物传感器作为探测生物分子微观浓度的主要物质载体，已经引起了许多生物材料研究者的注意。研究者们为了获得更低的生物分子的探测极限，尝试了不同的方法。目前在临床中对这些生物分子的测量多使用光学测量的方法。测量周期长，操作复杂以及探测极限低是这种方法的缺点。因此研究者们将精力投入了寻找更可靠，测量极限更低的方法。测量生物分子的方法主要通过测量(1)反应生成的过氧化氢，(2)溶解氧气的含量，以及(3)生成物的吸收光谱。而目前被广泛研究的三电极系统则是主要测量反应生成的过氧化氢来测量生物分子浓度的。虽然三电极系统构成的生物传感器已经被大量研究，但是采用半导体器件与功能材料相结合的方法则很少见报。高电子迁移率晶体管(HEMT)由于其具有高速、高频和低噪声的性能特点，已经被广泛运用于各种噪声放大器，频率放大器和微波集成电路。其独特的二维电子气效应使得其在微观测量上有着与其他半导体器件无法比拟的优势。当HEMT的栅极因为添加生物溶液时而对其二维电子气通道产生影响。从而使得HEMT的漏极电流发生变化，通过测量该变化来检测生物溶液的浓度。而具有较高等电位，良好的电子输运性能和生物相容性能的氧化锌(ZnO)则成为了性能优良的生物材料。其中四针状氧化锌(T-ZnO)因其独特的形貌结构而具有较高比表面积，被认为是用来固定生物分子的理想材料。关于运用HEMT或T-ZnO在生物分子测量领域的报道很少。美国佛罗里达大学的 Kang等(B. S. Kang,H. T. Wang, F. Ren et al. Appl. Phys. Lett 91. 2007，252103) 用氮化镓构建的HEMT与ZnO阵列相结合的方法来探测葡萄糖浓度。北京科技大学的Lei等 (Y. Lei, X. Q. Yan, N. Luo et al. Colloids and Surfaces A, 2010,361: 169-173) 用T-ZnO修饰传统三电极体系中的工作电极对葡萄糖浓度进行测量。到目前为止，HEMT运用于生物探测也只是与ZnO纳米阵列相结合，其制备工艺比较复杂。而T-ZnO用于生物探测的研究也才刚刚起步。用T-ZnO修饰的三电极系统的探测下限通常为微安级别。
技术实现思路
本专利技术目的是为了简化HEMT栅极修饰工艺，同时增加栅极对二维电子气通道的影响，并进一步降低生物溶液的探测极限至纳安级别，提供一种器由砷化镓(GaAs)构建的 HEMT与T-ZnO相结合的方法来制备生物传感。一种基于氧化锌和高电子迁移率晶体管生物传感器，特征在于以AWaAs/GaAs高电子迁移率晶体管(HEMT)为基底，并依次使用微米级四针状氧化锌(T-ZnO)、葡萄糖酶或尿酸酶以及Nafion进行栅极修饰，所构成的生物传感器结构简单，性能稳定，响应灵敏。如上所述的制备方法是通过如下三个步骤实现1.通过使用EPI GEN- II型分子束外延(MBE)系统来制备AlGaAs/GaAs HEMT的层状结构。其中各层结构分别为GaAs层1 μ m，AlGaAs层3 nm，掺Si的AWaAs层22 nm，掺Si 的GaAs帽层5 nm。然后使用热蒸镀的方法来制备镍金锗镍金100 nm厚的电极(其中镍/ 锗金/镍/金的厚度分别为500/2040/100/500埃米)，最后再在电极上沉积200 nm厚的二氧化硅绝缘层。即可获得AlGaAs/GaAs HEMT。2.通过使用气固法来制备四针状氧化锌(T-ZnO)。将锌粉和醋酸锌粉以摩尔比 10 1混合后置于660 °C管式炉中反应15分钟，氧气流和氩气流的流速分别为300 sccm (标准立方厘米每分钟)和15 sccm.最后即可得到平均尺寸在5 μπι左右的T-SiO。3.将T-aiO溶于乙醇溶液，均勻涂敷在HEMT的栅极上，在室温下自然晾干，形成5 μ m厚的T-ZnO层。然后在T-ZnO层上滴加葡萄糖酶或尿酸酶，并立即滴加Nafion (美国 ALDRICH公司提供)溶液。再将制备好的器件置于遮光处15分钟，然后取出并置于4 ！冰箱中保存M小时，即可以得到葡萄糖/尿酸生物传感器。之所以选择GaAs构建的HEMT是因为GaAs为窄禁带材料(1.4 eV)，当栅极表面处的电子发生变化时，帽层GaAs材料可以更容易激发出电子进入到二维电子气通道，从而将栅极表面的变化传递至二维电子气通道，最终引起栅极电流的变化，实现对生物分子溶液的探测。T-ZnO更易于吸附生物酶分子。当吸附在T-ZnO上的生物酶分子与被探测的生物分子发生反应时，所产生的电子转移使得τ-aio的等电位下降，从而使栅极的表面发生变化，最终使得漏极电流发生变化。为了进一步发挥T-Zno在生物传感器中的电输运作用，可以使用纳米级T-Zno来构建生物传感器。此外，由于可以使用不同的生物酶分子来修饰生物传感器的栅极，因此可以构建探测不同生物溶液浓度的生物传感器。例如，除了可以构建葡萄糖/尿酸生物传感器外，也可以在生物传感器的栅极上修饰乳酸酶来构建乳酸生物传感器。用其它生物酶分子来修饰生物传感器栅极构建探测相对应生物溶液的方法与构建葡萄糖/尿酸酶生物传感器的方法相似。只需要在用生物酶分子修饰栅极这一步选用特定的生物酶分子进行修饰，所构建的生物传感器即可以对相对应的生物溶液进行测量。本专利技术的优点在于1.传感器制备工艺简易，将HEMT与T-ZnO成功结合用于生物溶液探测。2.生物溶液探测浓度探测极限下降至纳摩尔级，而且器件的响应时间低于1秒。3.传感器便于携带，使用方便。附图说明图1用气固法所制备出来的尺寸在5 μ m左右的T-ZnO扫描电镜形貌图。图2由T-SiO和HEMT所构建的生物传感器结构示意图。图3生物传感器表面扫描电镜形貌图；插图表示生物酶与T-ZnO吸附形貌图。图4用所构建尿酸酶生物传感器在偏压为0. 5 V下分别对浓度为0. 2 nM、2 ηΜ、20 ηΜ、200 ηΜ、2 μΜ、20 μ M和200 μ M的尿酸溶液进行探测所得到的电流时间关系图。图5用所构建的葡萄糖酶生物传感器在偏压为0. 5 V下分别对浓度为0. 3 ηΜ、3 ηΜ、30 ηΜ、300 ηΜ、3 μΜ、30 μ M和300 μ M的葡萄糖溶液进行探测所得到电流时间关系图。具体实施例方式下面结合具体例子对本专利技术的技术方案进行说明 实施例1 1.采用MBE技术制备出AlGaAs/GaAs高电子迁移率晶体管，其规格为GaAs层为1 ym 厚，AWaAs层为3 nm厚，掺Si的AlGaAs层为22 nm厚，掺Si的帽层GaAs为5 nm厚。然后使用热蒸镀的方法来制备镍金锗镍金100 nm厚的电极，最后再在电极上沉积200 nm厚的二氧化硅绝缘层本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于氧化锌和高电子迁移率晶体管生物传感器，其特征在于以ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ 高电子迁移率晶体管简称ＨＥＭＴ为基底，并依次使用微米级四针状氧化锌即Ｔ－ＺｎＯ、葡萄糖酶或尿酸酶以及Ｎａｆｉｏｎ进行栅极修饰。
【技术特征摘要】
1.一种基于氧化锌和高电子迁移率晶体管生物传感器，其特征在于以AKiaAs/GaAs 高电子迁移率晶体管简称HEMT为基底，并依次使用微米级四针状氧化锌即T-SiO、葡萄糖酶或尿酸酶以及Nafion进行栅极修饰。2.一种制备权利要求1所述基于氧化锌和高电子迁移率晶体管生物传感器的方法， 其特征在于通过使用EPI GEN- II型MBE系统来制备AlGaAs/GaAs HEMT的层状结构；其中各层结构分别为GaAs层1 μ m, AlGaAs层3 nm,掺Si的AlGaAs层22 nm,掺Si的GaAs帽层5 nm ；然后使用热蒸镀的方法来制备镍金锗镍金100 nm厚的电极，其中镍/锗金/镍/金的厚度分别为500/2040/100/500埃米，最后再在电极上沉积200 nm厚的二氧化硅绝缘层；即可获得 AlGaAs/GaAs HEMT ；通过使用气固法来制备四针状氧化锌，将锌粉和醋酸锌粉以摩尔比10 1混合后置于 660 °C管式炉中反应15分钟，氧气流和氩气流的流速分别为300 sccm(标准立方厘米每分钟)和15 sccm ；最后即可得到平...
【专利技术属性】
技术研发人员：张跃，宋宇，雷洋，闫小琴，罗宁，刘羲，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11
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