CN102323301A

CN102323301A - 有机磷农药残留量检测用硅纳米线生物传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN102323301A
Application number: CN201110232687A
Authority: CN
Inventors: 陈国平; 兰文升; 刘冉; 江红
Original assignee: Fudan University; Institute of Zoology of CAS; Animal and Plant Inspection and Quarantine Technology Center of Shenzhen Entry Exit Inspection and Quarantine Bureau
Current assignee: Fudan University; Institute of Zoology of CAS; Animal and Plant Inspection and Quarantine Technology Center of Shenzhen Entry Exit Inspection and Quarantine Bureau
Priority date: 2011-08-15
Filing date: 2011-08-15
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明属于分析检测技术领域，具体为一种有机磷农药残留量检测用硅纳米生物传感器及其制备方法。该生物传感器以半导体硅纳米线为基础构建的场效应管为转换器，以有机磷水解酶为生物敏感元件，实现对有机磷农药高灵敏检测。制备方法包括：制作以半导体硅纳米线为沟道的场效应管；制作硅表面PDMS储样池；活化修饰场效应管的硅纳米线沟道的表面；在硅纳米线沟道表面连接有机磷水解酶。有机磷农药在有机磷水解酶作用下分解成含磷有机酸和醇,产生的有机酸改变硅纳米线沟道表面的pH环境,而pH的改变影响着场效应管的电学特性。本生物传感器对有机磷农药检测灵敏度非常高；而且可以大规模批量生产，降低传感器成本。

Description

有机磷农药残留量检测用硅纳米线生物传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于分析检测技术领域，具体涉及一种用于农药残留量检测的生物传感器及其制备方法。

背景技术

有机磷农药是一类磷酸酯类、硫代磷酸酯类或者磷酰胺酯类的有机化合物，具有种类多、毒性高、环境持续性低等优点，已取代传统的有机氯农药广泛应用于农业和其他领域，对抑制农作物病虫害发生起到了重要作用。但是随着这类农药的长期广泛使用，有机磷农药残留在环境中，对对人体及生态环境的潜在危害引起人们的极大关注，由农药而引发的健康损害、生态恶化、食品污染等事件频频发生。因此开发一种快速、准确、高灵敏的检测方法实现对农药残留量分析检测显得尤为重要。

目前有机磷农药检测中,比较标准的方法就是气相色谱和液相色谱两类方法，尤其是气相色谱－质谱联用或者液相色谱－质谱联用，可以同时检测多种有机磷农药成分，很多农药的检测限已经达到了10^－9数量级，但是这种方法依赖昂贵的检测设备,需要有专业的技术人员,检测费用也很昂贵,只能在专业的实验室完成,无法在现场广泛推广使用。

酶生物传感器是一种以酶作为生物敏感元件，利用光、电等信号反映酶与被检测物质（底物）相互作用的新型传感器。由于酶具有高度的专一性和高效性，酶生物传感器在分析检测中具有很强的特异性和高灵敏性。在有机磷农药农药检测中，乙酰胆碱酯酶（或丁酰胆碱酯酶）是生物传感器中研究最为广泛的一类酶试剂。乙酰胆碱酯酶的天然底物是乙酰胆碱，有机磷农药与乙酰胆碱具有竞争关系，当有机磷农药与乙酰胆碱酯酶结合后，形成了结构更加稳定的酶复合物，进而抑制了乙酰胆碱酯酶分解乙酰胆碱的能力，乙酰胆碱酯酶受有机磷农药和氨基甲酸酯类农药抑制效率与其浓度之间存在一定的线性关系，由此可以实现对有机磷农药的检测。但是该方法是基于间接法，以有机磷农药对乙酰胆碱酯酶的抑制状况监测有机磷农药，因此酶会受到抑制甚至失活，另外在检测时还需要加入特定酶底物（乙酰胆碱或者硫代乙酰胆碱等），增加了检测步骤。有机磷水解酶水解有机磷农药，直接产生含磷有机酸和酯，该方法直接以被检测物质为酶底物，操作简便，同时酶活性不受到抑制。

另外目前研究的多种农药残留量检测用的生物传感器检测极限还无法满足要求，检测限最好的能达到10^－6数量级，而在传统的实验室检测极限甚至可以达到10^－9数量级，随着人们对环境检测灵敏度要求越来越高，如何开发灵敏度更高的生物传感器就具有重要意义。

本发明提供的以硅纳米线为沟道的场效应管纳米生物传感器是一种新型的生物传感器，由于硅纳米线具有极大的比表面积，沟道内载流子分布情况对沟道表面电荷分布非常敏感，因此可实现超灵敏的快速检测。另外由于硅纳米线沟道场效应管是基于大规模集成电路工艺，可以大规模批量生产，从而降低了这种生物传感器的的生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种检测灵敏高、速度快、成本低的用于农药残留量检测的生物传感器及其制备方法。

本发明提供的农药残留量检测用生物传感器，以半导体硅纳米线为基础构建的场效应管（FET）为转换器（transducer），以有机磷水解酶为生物敏感元件，实现对有机磷农药高灵敏检测。该生物传感器的结构包括：以硅纳米线作为沟道制作成的具有背栅结构的场效应管（FET），硅纳米线两端沉积有金属，构成源极和漏极，而源极和漏极通过导线引到传感器边缘，用于检测。为了实现液体样品检测，源极和漏极及导线都沉积有钝化层（如二氧化硅），起到绝缘作用。硅纳米线表面通过化学修饰方法固定上有机磷水解酶。用PDMS制作的储样池覆盖硅纳米线上方，并与场效应管键合。检测时，将检测样品注入储样池，与硅纳米线表面的生物酶相互作用，改变硅纳米线表面pH的环境，从而改变场效应管的电导特性，实现对有机磷浓度的检测。

本发明中，通过自上而下的半导体工艺技术，在绝缘体上硅（SOI，silicon-on-insulator）上制作硅纳米线（其直径为几十到几百纳米，一般为30—300纳米），并且这种硅纳米线由离子注入方法掺杂III族或者V族元素的离子，形成具有半导体功能的纳米线；以此硅纳米线为沟道制作成具有背栅结构的场效应管（FET）。然后对此硅纳米线沟道表面进行化学修饰，连接上有机磷水解酶。

在进行生物传感检测时，在有机磷水解酶作用下样品中有机磷被水解，水解产生含磷有机酸，酸性物质导致沟道表面的pH值发生改变，沟道表面修饰有伯胺，pH值的改变沟道表面电荷分布，从而进一步影响着场效应管沟道（即硅纳米线）中载流子分布，改变了纳米场效应管的电学特征，这种电学特征的改变和pH有一定的相关性。

本发明生物传感器的检测方法是：先用PBS溶液冲洗储样池，然后用注射泵注入不同浓度的有机磷标准溶液，每一样品与硅纳米线充分混合，然后测定硅纳米线传感器的电导，根据有机磷标准溶液浓度和电导，获得标准曲线。注入待测样品，检测传感器的电导，根据标准曲线检测出待测样品的有机磷农药的含量。本发明设计的生物传感器的检测范围可达到10^-6M-10^-10M

本发明的生物传感器的制作方法，包括如下步骤：

（1）制作以半导体硅纳米线为沟道的场效应管（FET）；

（2）制作硅表面PDMS储样池；

（3）活化修饰FET的硅纳米线沟道的表面；

（4）在硅纳米线沟道表面连接有机磷水解酶。

上述各步骤具体描述如下：

步骤（1）制作以半导体硅纳米线为沟道的场效应管（FET），包括如下具体内容：

1、硅表面清洗：以（100）绝缘体上硅（SOI）的晶片为硅纳米生物传感器的衬底，该晶片含50nm的本征硅和150nm的氧化硅埋层，清洗硅表面以去除表面附着的金属离子和有机物。

2、硅纳米线刻：利用电子束光刻技术和干蚀法在硅衬底表面制作出直径为30纳米到300纳米，长度300纳米到20微米的硅纳米线。

3、离子注入：在准备制作栅极和源极的区域通过离子注入方法注入As离子，在硅衬底背面注入硼离子，并通过快速热退火（RTA, rapid thermal annealing）处理技术激活载流子。

4、接触点的刻蚀：将含铝金合金通过离子溅射方法沉积在硅表面，并通过光刻和湿蚀法在源极和漏极形成区域，制作出接触点。

5、硅纳米线的钝化处理及敏感面的活化：利用PECVD（plasma-enhanced chemical vapor deposition）技术在硅纳米线沉积上氧化硅和氮化硅起到钝化硅纳米线作用，然后在需要传感检测区域通过等离子刻蚀和氧化物刻蚀溶液，将钝化层腐蚀掉，将敏感面暴露出来，用于对生物分子的探测。

步骤（2）制备硅表面PDMS储样池。用光刻掩膜方法制备出与硅纳米线表面相适应的模具，将PDMS的预聚体倒入模具中，放置20-28小时，使其聚合完毕，然后转移到含有硅纳米线场效应管的硅表面，制作成储样池，使储样池完全包含硅纳米线活化部分，然后键合封闭。

步骤（3）活化修饰FET的硅纳米线沟道的表面。在硅纳米线表面产生伯胺。比如利用硅表面的二氧化硅与偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷反应，在硅表面分子偶联上氨基。

步骤（4）在硅纳米线沟道表面连接有机磷水解酶。是将表面活化修饰后的硅纳米线通过戊二醛试剂，进行还原，然后将有机磷水解酶和硅表面的部分氨基稳定地连接起来。

本发明具有如下突出的优点:

本发明采用硅纳米线为沟道的场效应管作为转换器(transducer), 与块状尺寸的场效应管相比,硅纳米线沟道具有很大比表面积,对沟道表面电荷密度变化更加灵敏。本生物传感器基于硅纳米线为沟道的场效应管,其制作工艺与大规模集成电路技术兼容,可以大批量生产,大大降低单个传感器制造成；采用大规模集成电路工艺技术，可以在同一个硅衬底上作出若干完全相同的硅纳米线沟道，采用有机磷水解酶，可直接对有机磷农药进行传感检测，不需要额外加酶底物。

附图说明

图1基于硅纳米线场效应管用于有机磷农药检测原理图。

图2用于有机磷农药检测的硅纳米线场效应管结构示意图。

图3 硅纳米线表面连接有机磷水解酶方法（硅纳米线表面覆盖氧化硅）。

图4硅纳米线表面连接乙酰胆碱酯酶方法（硅纳米线表面无氧化硅）。

图中标号：1.PDMS制作的储样池，2. 硅纳米线，3.源极，4.钝化层，5. 氧化硅埋层，6. 栅极（背栅）,7.漏极，8. 乙酰胆碱酯酶,9. 二氧化硅。

具体实施方式

以下详细介绍硅纳米线为基础的纳米生物传感器制作过程。以绝缘体上氧化硅埋层5为衬底，用40-keV的电子束刻蚀法和干蚀法，在硅衬底材料上刻蚀出几十到几百纳米的硅纳米线2，然后在硅衬底表面沉积一层薄的氧化硅膜，在这层氧化硅表面旋涂上电子束光刻胶，然后在源极3和漏极7预留处用电子束光刻工艺技术去掉光刻胶，用离子束注入法掺杂上As离子，并在氮气氛围下经过快速热退火激活载流子，从而完成对源极3和漏极7的重掺杂。硅衬底背面掺杂硼元素，形成栅极6部位，然后在源极2、漏极4和栅极4的区域通过离子溅射技术沉积合金，形成接触点（contact pad）。然后利用等离子增强化学气相沉积技术（PECVD）在硅纳米线5、源极3、漏极7等表面沉积上氧化硅和氮化硅，形成钝化层4，起到钝化作用，再通过等离子刻蚀技术及化学蚀刻法去掉部分硅纳米线表面的钝化层，暴露出部分硅纳米线用于敏感面，进行生物分子修饰。在硅纳米线5表面会自然氧化形成一层薄的氧化硅，针对有无氧化硅，分子修饰方法会有所差异。通过以上方法可以获得纳米沟道场效应管阵列。

微流沟导的制作。以光刻方法制作出合适的模具，然后加入PDMS预聚体，放置24小时，聚合完毕，然后移至晶片表面，对准键合形成储样池1，储样池1大小和固定位置恰好保证硅纳米线暴露出来的敏感面完全覆盖住，使得检测样品完全限制在储样池1内不泄漏。储样池1留有样品出口和入口，以便检测样品进出。

针对硅纳米线5表面有二氧化硅，其表面修饰过程主要通过APTES（3-氨丙基三乙氧基硅烷）和戊二醛与硅表面二氧化硅反应，形成有机硅分子链，然后再与有机磷水解酶连接，从而将有机磷水解酶固定到硅纳米线表面。具体步骤如下：先用乙醇和丙酮清洗硅纳米线FET表面，然后通入2％APTES溶液1～2小时，乙醇清洗再引入含2.5%的戊二醛和4mM的NaBH₃CN 溶液1小时左右，然后用pH 为7.4的PBS（磷酸缓冲液）清洗，表面形成有机硅分子链，然后引入有机磷水解酶溶液1～2小时，用PBS清洗完毕后再通入NaBH₃CN 溶液中1小时左右，用PBS清洗，从而将乙酰胆碱酯酶固定到硅纳米线表面。

对于没有覆盖二氧化硅的硅纳米线表面修饰，先清除硅纳米线表面二氧化硅，过程如下：先分别用1％的HF和NH₄F稀溶液腐蚀掉硅纳米线表面的二氧化硅，然后加入10-N-叔丁氧羰基氨基-1-癸烯溶液在氮气氛围下，用紫外光固化，再通入含25％三氟乙酸的二氯甲烷溶液，并用稀氨水溶液中浸泡5～10分钟，用乙醇清洗，己可使得硅纳米线表面直接覆盖上伯胺基团。然后用含2.5%的戊二醛和4mM的NaBH₃CN 溶液处理1小时左右，然后用pH 为7.4的PBS（磷酸缓冲液）清洗清洗，形成了有机硅分子链，然后向储样池引入有机磷水解酶溶液中1～2小时，用PBS清洗完毕后再加入NaBH₃CN 溶液1小时左右，用PBS清洗，从而将有机磷水解酶分子8连接到硅纳米线2表面。

Claims

1.一种有机磷农药残留量检测用硅纳米线生物传感器，其特征在于以半导体硅纳米线为基础构建的场效应管为转换器，以有机磷水解酶为生物敏感元件，实现对有机磷农药高灵敏检测；该生物传感器的结构包括：以硅纳米线作为沟道的场效应管，该硅纳米线两端沉积有金属，构成源极和漏极，而源极和漏极通过导线引到传感器边缘，用于检测；所述源极和漏极及导线都沉积有起到绝缘作用钝化层；硅纳米线表面通过化学修饰方法固定上有机磷水解酶；用PDMS制作的储样池覆盖硅纳米线上方，并与场效应管键合。

2.如权利要求1所述的有机磷农药残留量检测用硅纳米线生物传感器的制备方法，其特征在于具体步骤为：

（1）制作以半导体硅纳米线为沟道的场效应管；

（2）制作硅表面PDMS储样池；

（3）活化修饰场效应管的硅纳米线沟道的表面；

（4）在硅纳米线沟道表面连接有机磷水解酶。

3.根据权利要求2所述的有机磷农药残留量检测用硅纳米线生物传感器的制备方法，其特征在于步骤（1）制作以半导体硅纳米线为沟道的场效应管，包括如下具体内容：

（1）硅表面清洗：以（100）绝缘体上硅的晶片为硅纳米生物传感器的衬底，该晶片含50nm的本征硅和150nm的氧化硅埋层，清洗硅表面以去除表面附着的金属离子和有机物；

（2）硅纳米线刻：利用电子束光刻技术和干蚀法在硅衬底表面制作出直径为30纳米到300纳米，长度300纳米到20微米的硅纳米线；

（3）离子注入：在准备制作栅极和源极的区域通过离子注入方法注入As离子，在硅衬底背面注入硼离子，并通过快速热退火处理技术激活载流子；

（4）接触点的刻蚀：将含铝金合金通过离子溅射方法沉积在硅表面，并通过光刻和湿蚀法在源极和漏极形成区域，制作出接触点；

（5）硅纳米线的钝化处理及敏感面的活化：利用PECVD技术在硅纳米线沉积上氧化硅和氮化硅，然后在传感检测区域通过等离子刻蚀和氧化物刻蚀溶液，将钝化层腐蚀掉，将敏感面暴露出来，用于对生物分子的探测。

4.根据权利要求3所述的有机磷农药残留量检测用硅纳米线生物传感器的制备方法，其特征在于步骤（2）制备硅表面PDMS储样池，先用光刻掩膜方法制备出与硅纳米线表面相适应的模具，将PDMS的预聚体倒入模具中，放置20-28小时，使其聚合完毕；然后转移到含有硅纳米线场效应管的硅表面，制作成储样池，使储样池完全包含硅纳米线活化部分，然后键合封闭。

5.根据权利要求4所述的有机磷农药残留量检测用硅纳米线生物传感器的制备方法，其特征在于步骤（3）活化修饰场效应管的硅纳米线沟道的表面，是在硅纳米线表面产生伯胺，具体操作是利用硅表面的二氧化硅与偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷反应，在硅表面分子偶联上氨基。

6.根据权利要求5所述的有机磷农药残留量检测用硅纳米线生物传感器的制备方法，其特征在于步骤（4）在硅纳米线沟道表面连接有机磷水解酶，是将表面活化修饰后的硅纳米线通过戊二醛试剂，进行还原，然后将有机磷水解酶和硅表面的部分氨基稳定地连接起来。