CN102749379A

CN102749379A - 场效应晶体管手性传感器

Info

Publication number: CN102749379A
Application number: CN2011100977145A
Authority: CN
Inventors: 宫建茹; 吴春卉
Original assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Current assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2012-10-24

Abstract

本发明提供一种场效应晶体管手性传感器，包括一个或多个场效应晶体管，该场效应晶体管包括：基底，用作栅电极；基底上的栅绝缘层；栅绝缘层上的硅纳米线；源电极和漏电极，位于栅绝缘层上，并分别与硅纳米线接触；手性修饰分子层，修饰在硅纳米线表面。本发明还提供一种场效应晶体管手性传感器的制造方法。

Description

场效应晶体管手性传感器

技术领域

本发明涉及纳米技术、生物技术以及分析化学研究领域，尤其涉及一种基于硅纳米线的场效应晶体管手性传感器以及其制备方法。

背景技术

手性化合物在化学合成，催化，药物，生物医学等领域有着非常重要应用，手性识别因此也成为科学领域一个非常重要的问题。两个对映异构体具有完全不一样的物理化学性质，药学性质。现在光学对应异构体的分离和检测主要是采用色谱这样的离线分析技术。发展一种简单，经济快捷的手性检测技术是具有重要意义。

最近几年手性传感器研究已经取得了一定的发展，其中手性选择剂大部分借鉴色谱手性固定相(Angew.Chem.Int.Edit.2004，43，2395)。蛋白由于具有复杂而且可转变的构象，在色谱上能够很好地分离手性异构体，国内已有专利。牛血清白蛋白(BSA)，人血清白蛋白(HSA)等蛋白通常用来分离手性药物，氨基酸等具有很好的分离效果。然而到目前为止这些蛋白还很少在手性传感器上面进行手性识别。

目前手性传感器主要有三类：手性电化学传感器，手性质量化学传感器和手性光学传感器。手性电化学传感器的主要结构特点就是将手性识别基团如环糊精，冠醚等负载在电极表面来进行检测。另外一种质量化学传感器，主要是采用的石英晶体微天平(QCM)，在QCM表面修饰手性识别基团用来检测，对映体所引起的频率下降会有不一样来进行检测。光学传感器有多种的传感器，Hofstetter等人利用键连氨基酸抗体的微悬臂梁对氨基酸异构体进行识别(Nature Biotech，1999，17：371)，通过激光束反射悬臂偏转情况来分析d/l氨基酸。

Andreas Hierlemann(Angew.Chem.Int.Ed.2008，47，913-916)设计出了新型电容型的传感器，使用介电层作为敏感层来进行测量。能够对手性对映异构体测出对称相反的信号出来。另外Francesco Naso(Nature material2008，7；412-417)等使用有机薄膜晶体管来进行手性解析，使用衍生化的聚噻吩作为栅极材料，同样能够对手性对映体能够得到有差异的响应。

但是，上述手性传感器存在操作复杂、灵敏度低且成本较高的缺点。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种操作简单、灵敏度高、成本低廉的手性物质识别传感器。

本发明利用的是硅纳米线上修饰的蛋白质的手性识别能力来传感识别氨基酸的对映异构体，由于蛋白质和对映异构体的结合位点有差异，因而引起氨基酸与蛋白质结合后，可能发生硅纳米线表面电荷密度的改变，从而导致源、漏两极之间的电导率的改变，从而利用改变的差异而进行识别。

本发明提供一种场效应晶体管手性传感器，包括一个或多个场效应晶体管，该场效应晶体管包括：

基底，用作栅电极；

基底上的栅绝缘层；

栅绝缘层上的硅纳米线；

源电极和漏电极，位于栅绝缘层上，并分别与硅纳米线接触；

手性修饰分子层，修饰在硅纳米线表面。

根据本发明提供的场效应晶体管手性传感器，其中手性修饰分子为可以识别手性物质的蛋白，如血清蛋白、卵磷脂蛋白、酸性糖蛋白、卵粘蛋白、胃蛋白、纤维素水解酶。

根据本发明提供的场效应晶体管手性传感器，其中基底为重掺杂硅片，栅绝缘层为氧化硅或氮化硅。

根据本发明提供的场效应晶体管手性传感器，还包括栅绝缘层上的外电极，外电极分布于场效应晶体管的外围，并电连接到源电极和漏电极。

根据本发明提供的场效应晶体管手性传感器，还包括具有沟槽、进样口和出样口的聚二甲基硅烷，聚二甲基硅烷以沟槽开口向下的方式覆盖到基底上，硅纳米线位于沟槽与基底形成的空间内，进样口和出样口与该空间连通。

本发明还提供一种场效应晶体管手性传感器的制造方法，包括：

在表面具有绝缘层的基底上滴加硅纳米线；

在基底的绝缘层上形成接触于硅纳米线的源电极和漏电极；

在硅纳米线表面修饰上手性修饰分子层。

根据本发明提供的场效应晶体管手性传感器的制造方法，还包括：形成外电极；在基底上覆盖具有沟槽以及进样口和出样口的聚二甲基硅烷，使硅纳米线位于沟槽内。其中采用硅烷偶联剂法来对硅纳米线进行修饰。

本发明提供的场效应晶体管手性传感器不仅能进行有效的识别，而且能够灵敏地检测多种手性的对映异构体，且可以容易地与现有的集成电路工艺相结合。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为根据本发明一个实施例的场效应晶体管的截面图；

图2为根据本发明一个实施例的场效应晶体管手性传感器的立体示意图；

图3为图2所示的场效应晶体管手性传感器的栅极附近的局部放大示意图；

图4为对硅纳米线进行修饰的过程的示意图；

图5为检测结果示意图。

具体实施方式

图1为用于本发明所提供的手性传感器中的场效应晶体管的示意图，该场效应晶体管包括：基底1，用作栅电极；基底上的栅绝缘层2；栅绝缘层2上的硅纳米线3；源电极4和漏电极5，位于栅绝缘层2上，并分别与硅纳米线3接触；手性修饰分子层6，修饰在硅纳米线3表面。

其中手性修饰分子为可以识别手性物质的蛋白，如血清蛋白(例如牛血清蛋白，人血清蛋白)、卵磷脂蛋白、酸性糖蛋白、卵粘蛋白、胃蛋白、纤维素水解酶等。

其中基底1可为硅片，如重掺杂硅片。栅绝缘层2可为氧化硅或氮化硅。源电极4和漏电极5可为金属电极，如Cr/Au/SiO₂，Ti/Au/SiO₂，Pd/Au/SiO₂，Cr/Au/Si₃N₄，Ti/Au/Si₃N₄，Pd/Au/Si₃N₄。

图2为本发明的一个实施例提供的场效应晶体管手性传感器的示意图，其包括：

尺寸为2×2cm的p型重掺杂硅片，用作基底，作为场效应晶体管的栅电极；

硅片上的300nm厚的氧化硅层，用作栅绝缘层；

含有宽500um、深50um的沟槽的PDMS(聚二甲基硅烷)，沟槽与基底形成一空间，该PDMS还具有进样口和出样口，该进样口和出样口与该空间相连通，进样口与出样口之间的距离为2cm，PDMS以沟槽开口向下的方式覆盖在栅绝缘层表面上；

氧化硅层上的硅纳米线，如图3的局部放大示意图所示，硅纳米线全部都位于上述空间内；

源电极和漏电极，位于氧化硅层上，并分别与硅纳米线接触，源电极和漏电极也位于上述空间内；

BSA层，修饰在硅纳米线表面；

位于氧化硅层上的外电极，其分布于场效应晶体管的外围，并通过引线连接于源电极4、漏电极5，以将源电极4和漏电极5上的信号输出。

下面描述图2所示的实施例提供的场效应晶体管手性传感器的制造方法包括：

1)取一片表面具有厚度为300nm的氧化硅的p型重掺杂的硅片，切割成2×2cm的小片，依次用丙酮，异丙醇，水超声10分钟，然后用氮气吹干，放入120℃下真空干燥10分钟；

2)将p型硅纳米线分散在酒精中，在p型重掺杂硅片上滴加一层硅纳米线，硅纳米线的密度为100根/100um²；

3)在硅片表面旋涂一层光刻胶，后烘，然后使用光学掩膜板在紫外光刻机下进行光刻，然后将显影后的芯片放入电子束蒸镀机里面先蒸镀5nmCr，然后再蒸镀80nmAu，最后将芯片放入丙酮中去胶，以在硅片表面的氧化硅上形成源电极、漏电极以及外电极；

4)在基底1上覆盖具有沟槽以及进样口和出样口的PDMS，使硅纳米线3全部都在沟槽内；

5)采用硅烷偶联剂法，用BSA对硅纳米线进行修饰，修饰方法的具体步骤包括：

使用微量流量泵，以0.3ml/小时的速度泵入10mg/ml的二羰基咪唑乙腈溶液(APTES)，50分钟之后，泵入10mmol/ml的磷酸盐缓冲液(pH为7.4)10分钟，然后泵入10mg/ml的BSA的磷酸盐缓冲液，磷酸盐缓冲液浓度为1mmol/ml，冲2小时修饰完毕(该修饰过程如图4所示)。

图5为利用该方法制造的场效应晶体管手性传感器的测量结果。在测量过程中，先使用10umol/ml的磷酸盐缓冲液走基线，待基线走平后，进样浓度为10nmol/ml的L-苯丙基氨基酸缓冲液，10分钟后再换成10umol/ml的磷酸盐缓冲液，待走平基线后再次进样10nmol/ml的D-苯丙基氨基酸缓冲液，能够测得同种浓度下面对映异构体的响应有较大的差异(其中，图5中D-phe表示D-苯丙基氨基酸，l-phe表示L-苯丙基氨基酸)。

这是因为当待检测液通过硅纳米线表面时，如果检测液中间含有待测样品，硅纳米线表面的手性修饰分子可以与检测液中的待测样品结合，而引起硅线表面的电荷数量改变，由于使用的是手性修饰分子，因此对映异构体所引起的硅纳米线表面的电荷改变会有较大的差异，即源，漏极之间的电导率的差异较大。从而对不同旋光性物质进行区分。

由此可见，本发明提供的场效应晶体管手性传感器能进行有效的手性识别。

根据本发明的一个实施例，其中栅绝缘层的厚度可为300-1000nm。

根据本发明的再一个实施例，其中沟槽的宽度可为100-1000um、深度为30-70um、进样口与出样口之间的距离为1-3cm。

根据本发明的另一个实施例，其中硅纳米线也可以为n型，硅纳米线的密度为1-1000根/100um²。

根据本发明的再一个实施例，除了光刻方法外，也可以用其他本领域公知的电极制作方法来制造源电极、漏电极以及外电极。

根据本发明的一个实施例，硅烷偶联剂法中，泵入速度可为0.1ml/小时-10ml/小时，二羰基咪唑乙腈溶液(APTES)的浓度可以为0.1-20mg/ml的，磷酸盐缓冲液的浓度可以为0.1-10mmol/ml，pH可以为7.1-7.4，BSA(或其他手性修饰分子)的浓度可以为1mg-10mg/ml，冲1-5小时修饰完毕。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种场效应晶体管手性传感器，包括一个或多个场效应晶体管，该场效应晶体管包括：

基底，用作栅电极；

基底上的栅绝缘层；

栅绝缘层上的硅纳米线；

手性修饰分子层，修饰在硅纳米线表面。

2.根据权利要求1所述的场效应晶体管手性传感器，其中手性修饰分子为可以识别手性物质的蛋白。

3.根据权利要求2所述的场效应晶体管手性传感器，其中手性修饰分子为血清蛋白、卵磷脂蛋白、酸性糖蛋白、卵粘蛋白、胃蛋白、纤维素水解酶。

4.根据权利要求1所述的场效应晶体管手性传感器，其中基底为重掺杂硅片。

5.根据权利要求1所述的场效应晶体管手性传感器，其中栅绝缘层为氧化硅或氮化硅。

6.根据权利要求1所述的场效应晶体管手性传感器，还包括栅绝缘层上的外电极，外电极分布于场效应晶体管的外围，并电连接到源电极和漏电极。

7.根据权利要求1所述的场效应晶体管手性传感器，还包括具有沟槽、进样口和出样口的聚二甲基硅烷，聚二甲基硅烷以沟槽开口向下的方式覆盖到基底上，硅纳米线位于沟槽与基底形成的空间内，进样口和出样口与该空间连通。

8.一种制造如权利要求1所述的场效应晶体管手性传感器的方法，包括：

1)在表面具有绝缘层的基底上滴加硅纳米线；

2)在基底的绝缘层上形成接触于硅纳米线的源电极和漏电极；

3)在硅纳米线表面修饰上手性修饰分子层。

9.根据权利要求8所述的制造场效应晶体管手性传感器的方法，还包括：

4)形成外电极；

5)在基底上覆盖具有沟槽以及进样口和出样口的聚二甲基硅烷，使硅纳米线位于沟槽内。

10.根据权利要求8所述的制造场效应晶体管手性传感器的方法，其中采用硅烷偶联剂法来对硅纳米线进行修饰。