CN104345082B - 生物传感器、生物传感器的制作方法及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物传感器及其制作方法和检测方法，该生物传感器具有场效应晶体管的结构，包括柔性衬底，在所述的柔性衬底上设有打印的银源漏电极，以及连接源漏电极的打印的功能化纳米碳材料层。在功能化纳米碳材料层上连接有特异性受体，作为检测极少量特定目标物质的敏感材料。将源漏电极与一套信号检测系统相连，配合悬浮栅极在检测液体里的信号调控可实现快速准确灵敏的生物诊断，是一种具有集成化、相容性、便携式的生物传感器装置。

Description

生物传感器、生物传感器的制作方法及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种生物传感器的技术领域及其制备方法，特别涉及一种基于场效应晶体管结构的柔性全打印纳米碳材料生物传感器及其制作方法和检测方法。

背景技术

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，它是结合了半导体和金属属性的碳质新材料，具有热、力、电等优异的性能。石墨烯是零带隙半导体，具备独特的载流子特性和优异的电学性能。碳纳米管是一种独特的碳纳米结构，可以看作是石墨中的一层或多层碳原子卷曲成的中空的管状。碳纳米管具有许多独特的性能，如良好的机械性能、较高的热稳定性、优良的导电性和导热性等。这些纳米碳材料均具有的可修改化学功能的特色赋予其优异的性能，其对具有多苯环的分子有很强的吸附能力，通过修饰吸附上的分子可获得简易检测特定物质的目的，极其适合制备新一代生物传感器，具有稳定性好、灵敏度高、功耗低和响应时间短等优点，因此如何实现纳米碳材料的潜在应用，以及提高纳米碳材料在实际应用中的性能是目前研究者们关注的焦点。

印刷电子技术是最近几年蓬勃发展起来的一种新兴技术。由于印刷电子技术具有薄、轻、大尺寸以及成本更低等特点，印刷电子已成为当今多学科交叉、综合的前沿研究热点。柔性印刷器件能够弯曲或卷成任意形状，柔韧性好，既轻又薄，不易破损，耐冲击耐用，其低廉的成本能够实现大规模生产。

目前印刷电子技术与纳米碳材料的结合已经进行了了很多的探索, 在高灵敏度传感器领域有着广泛的应用潜力。但是在生物传感器领域的尝试仍处于起步阶段，信号噪音大，检测限高，处理工艺复杂，难以进行大批量生产。因此，这就需要研究出信噪比低、检测限低并可以大规模制备柔性印刷生物传感器的技术。

发明内容

本发明的目的提供一种生物传感器、生物传感器的制作方法及其检测方法，本发明技术扩展了印刷电子技术在柔性衬底上的应用，同时发挥了纳米碳材料的优异性能。检测时运行稳定，噪音小，检测限低，且通过以不同的特异性受体修饰纳米碳材料，还使得本发明柔性全打印生物传感器可以分别对不同的物质进行检测，如重金属离子、蛋白质等。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种生物传感器，包括：

柔性衬底；

形成于所述柔性衬底上的源极和漏极；

形成于所述柔性衬底上的功能化纳米碳材料层，所述的功能化纳米碳材料层电性连接于所述的源极和漏极之间；

栅极。

优选的，在上述的生物传感器中，所述的功能化纳米碳材料层的表面修饰有特异性受体，所述的特异性受体选自抗体、酶、蛋白质、肽、氨基酸、核酸适体、脂、辅因子或碳水化合物。

优选的，在上述的生物传感器中，所述的栅极为Ag/AgCl参比电极。

相应地，本发明还公开了一种生物传感器的制作方法，包括：

s1、在柔性衬底上通过喷墨打印法或溶胶打印法制作源极和漏极；

s2、通过喷墨打印法或溶胶打印法在源极和漏极之间制作功能化纳米碳材料层；

s3、活化功能化纳米碳材料层上吸附的功能化羧基，并采用特异性受体对功能化纳米碳材料层进行修饰，采用封闭试剂保护未反应的活化羧基。

优选的，在上述的生物传感器的制作方法中，所述的柔性衬底选自聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚酰亚胺(PI)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)或聚丙烯(PP)；所述的功能化纳米碳材料层的材质选自构成交叠网络的功能化石墨烯、功能化单壁碳纳米管或功能化多壁碳纳米管结构；所述的封闭试剂选自乙醇胺、牛血清白蛋白（BSA）、脱脂奶粉或干酪素。

优选的，在上述的生物传感器的制作方法中，所述的步骤s2中，还包括制备功能化纳米碳材料溶液，所述的功能化纳米碳材料溶液的制备方法如下：称取1-芘丁酸溶解于浓度为0.01-0.5mg/mL的纳米碳材料溶液中，溶剂为DMF，于室温搅拌反应过夜，溶液分离后取下层沉淀，加入DMF中溶解分散即为功能化纳米碳材料溶液。

优选的，在上述的生物传感器的制作方法中，所述1-芘丁酸与纳米碳材料的质量比为（10-150）：1。

优选的，在上述的生物传感器的制作方法中，所述源漏极电极间距为50um-700um。

优选的，在上述的生物传感器的制作方法中，所述的步骤s3具体包括：将功能化纳米碳材料层浸入2-8mM1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)和8-20mM N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)的混合溶液1-3h，活化碳材料上吸附的功能化羧基，反应后用PH=7.4的PBS缓冲溶液清洗；采用特异性受体对功能化纳米碳材料层进行修饰，其后采用封闭试剂保护未反应的活化羧基，每步反应后均用PH=7.4的PBS缓冲溶液进行清洗。

优选的，在上述的生物传感器的制作方法中，所述功能化纳米碳材料层所形成电阻为10~100kΩ 。

本发明还公开了一种生物传感器的检测方法，将待检测物质液体置于功能化纳米碳材料层上，将栅极的一端插入在待检测物质液体里，通过调节栅极电压调控电流信号强弱，实现对待检测物质的检测或量化，所述的待检测物质液体选自重金属离子或蛋白质溶液。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明使用印刷电子打印技术制备器件里的关键电路与元件，连接可靠且产品工艺得到简化，产品满足了轻薄、可弯曲的特性，减少了体积与重量，节省了成本，可大规模生产。利用纳米碳材料的优异性能，实现对生物物质的精确检测，且稳定性好、灵敏度高，响应时间短，操作方便，成本低，污染小，体现出良好的应用前景，是一种具有集成化、相容性、便携式的生物传感器装置。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施例1中生物传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例1在PH=7.4的PBS缓冲溶液中的源极、漏极间电流Isd与源漏极电压Vsd的关系曲线图；

图3是本发明实施例1对兔IgG的电学信号响应图。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种生物传感器，包括：

柔性衬底；

形成于所述柔性衬底上的源极和漏极；

形成于所述柔性衬底上的功能化纳米碳材料层，所述的功能化纳米碳材料层电性连接于所述的源极和漏极之间；

栅极。

本发明实施例还公开了一种生物传感器的制作方法，包括：

s1、在柔性衬底上通过喷墨打印法或溶胶打印法制作源极和漏极；

s2、通过喷墨打印法或溶胶打印法在源极和漏极之间制作功能化纳米碳材料层；

s3、活化功能化纳米碳材料层上吸附的功能化羧基，并采用特异性受体对功能化纳米碳材料层进行修饰，采用封闭试剂保护未反应的活化羧基。

上述源、漏极电极均使用喷墨打印法或气溶胶打印法的方式，采用金属Ag银浆。银浆浓度优选为0.01-0.5mg/mL。所述源漏极电极间距为50um-700um。所述的源、漏极电极材料还可以选自其他金属，例如：铂，金，铜，铝。

在制备功能化纳米碳材料溶液中，功能化试剂为1-芘丁酸，功能化纳米碳材料通过物理吸附的方法复合，包括碳材料和功能化试剂之间的π-π堆积作用、静电作用、氢键和亲疏水作用。功能化试剂与纳米碳材料在溶剂中充分搅拌混合反应，使功能化试剂吸附在纳米碳材料上

本发明实施例还公开了一种生物传感器的检测方法，将待检测物质液体置于功能化纳米碳材料层上，将栅极的一端插入在待检测物质液体里，通过调节栅极电压调控电流信号强弱，实现对待检测物质的检测或量化，所述的待检测物质液体选自重金属离子或蛋白质溶液。

本发明通过下列实施例作进一步说明：根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1

参图1所示，本实施例的生物传感器，包括：柔性衬底1，平行设置于柔性衬底1上的源极2a、漏极2b。

源极2a、漏极2b均包括平行部21以及用于与外部电路（图中未示出）电连接的延伸部22。

生物传感器还包括设置于源极2a、漏极2b之间的功能化石墨烯层3，功能化石墨烯层3分别与源极2a平行部21、漏极2b平行部21连接；功能化石墨烯层3表层修饰有特异性受体。

生物传感器还包括悬浮栅极4，该悬浮栅极4的一端悬于源极2a、漏极2b上方，不接触石墨烯层3。

下面，结合图1介绍这种柔性全打印生物传感器的制作方法，包括如下步骤：

S1：在柔性衬底聚酰亚胺PI上使用喷墨打印法打印银源极2a和漏极2b，源漏极间距50um，使源极2a、漏极2b分别形成各自的平行部21和延伸部22，银浆浓度为0.1mg/mL；

S2：石墨烯层3芯片的制作；

首先，制备功能化石墨烯溶液。

石墨烯溶液的配制。本领域技术人员熟知，石墨烯可以直接分散到水中，也可以分散到表面活性剂的水溶液中。本实施例采用市售的石墨烯粉末，然后，采用水和表面活性剂DMF按照体积比为9:1配成溶剂。取一定量的氧化石墨烯粉末分散到所述溶剂中，而后将该混合物超声预分散10~30min配成均匀分散的0.01mg/mL石墨烯溶液。

第一，称取1-芘丁酸150mg溶解于100mL浓度为0.01mg/mL的石墨烯溶液中，溶剂为DMF，于室温搅拌反应过夜，溶液用高速离心机分离15000rpm/min后取下层沉淀，加入DMF中溶解分散即为功能化石墨烯溶液。

第二，采用喷墨打印方法，在源极2a和漏极2b之间加入1ml上述石墨烯溶液，并确保石墨烯溶液分别与源极2a和漏极2b接触，即源极2a、漏极2b间电阻为10~100kΩ，形成带功能化石墨烯层3的芯片。

第三，将所述芯片浸入6mM（1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐）EDC和15mM N-羟基琥珀酰亚胺NHS的混合溶液1h，活化石墨烯上吸附的功能化羧基，反应后器件用PH=7.4的PBS缓冲溶液清洗3遍。

第四，滴加10ul 0.5mg/ml的羊抗兔IgG孵化3h，对源漏极沟道区域的功能化石墨烯进行修饰，其后采用封闭试剂-体积比6.8%的乙醇胺封闭保护未反应的活化羧基，每步反应后均用PH=7.4的PBS缓冲溶液清洗3遍。

S3：悬浮栅极4的设置。

将纯度为99~100%，直径为100μm~500μm的银丝用丙酮除油，然后用蒸馏水洗净后放在1mol/L盐酸溶液中进行阳极氧化，用铂丝作阴极，电解的阳极电流密度为0.4mA/cm²，时间30min，制备Ag/AgCl微参比电极作为悬浮栅极。

S4：将待检测物质液体置于源漏极沟道区域，将悬浮栅极4插入液体里，不接触石墨烯层3、源极2a、漏极2b，形成“悬浮”于待测液体5内的悬浮栅极4。

通过上述步骤，获得柔性全打印生物传感器。

石墨烯离子敏传感器在使用时，只需将待检测液体，例如含兔IgG的溶液滴加于源漏极沟道区域并始终保持与悬浮栅极的接触。这样，只需要将常用的相关测试电路与传感器上的源极、漏极和栅极连通，通过分析特定物质导入前后器件的电学性能信号，即可得出柔性全打印生物传感器的灵敏度、选择性和响应时间等性能参数。并且本发明可在挠曲后使用，增强了该器件对环境的适应性。参阅图2系本实施例柔性全打印石墨烯生物传感器在使用时的I-Vsd曲线图，可见其具备明显的场效应晶体管效应。参阅图3，可见本实施例柔性全打印石墨烯生物传感器对兔IgG具有很高的灵敏度和很短的响应时间。

实施例2

本实施例的柔性全打印生物传感器结构与实施例1相同。不同的是柔性衬底为聚对笨二甲酸乙二酯PET，源漏极间距200um，银浆浓度为0.08mg/mL，采用的纳米碳材料为0.05mg/mL的单壁碳纳米管，称取1-芘丁酸质量为120mg，封闭试剂为5%牛血清白蛋白BSA。

并且，本实施例是通过气溶胶打印的方法将浓度为0.05mg/mL的功能化单壁碳纳米管溶液打印在在源极和漏极之间。其后将芯片置于4mM（1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐）EDC和10mM N-羟基琥珀酰亚胺NHS的混合溶液1h，活化石墨烯上吸附的功能化羧基。

其余步骤可参照实施例1所示。

实施例3

本实施例的石墨烯离子敏传感器结构与实施例1相同。不同的是聚乙烯PE，源漏极间距500um，银浆浓度为0.06mg/mL，采用的纳米碳材料为0.02mg/mL的单壁碳纳米管，称取1-芘丁酸质量为100mg，封闭试剂为2.5%脱脂奶。

并且，本实施例是通过气溶胶打印的方法将浓度为0.02mg/mL的功能化单壁碳纳米管溶液打印在在源极和漏极之间。其后将芯片置于2mM（1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐）EDC和5mM N-羟基琥珀酰亚胺NHS的混合溶液3h，活化石墨烯上吸附的功能化羧基。

其余步骤可参照实施例1所示。

在其他实施例中，还可以对柔性全打印传感器的参数或制作步骤进行优化，例如，由于需要制作的柔性全打印传感器尺寸不同，打印的石墨烯溶液体积不同，只要满足上述结构要求均可，一般为0.5×10^-3~5×10^-3mL范围较佳。为了适应不同的检测环境，本领域技术人员应该知道，纳米碳材料溶液的溶剂可采用水、有机溶剂或其组合配制，有机溶剂例如乙醇、DMF、PMAS等，具体可根据检测物质及其溶剂的性质而定。

本发明通过制备分散性好的高质量功能化纳米碳材料溶液，利用先进的印刷电子技术将功能化纳米碳材料溶液打印在柔性衬底上，再配合打印电极连接成一体，构成基于场效应晶体管的生物传感器。利用打印技术制备柔性场效应管生物传感器生产工艺可规范化，轻薄便携，具有成本低、污染小，可大批量生产等特点。且通过对纳米碳材料进行功能化修饰，可提高生物传感器的灵敏度、选择性和响应时间等性能。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种生物传感器，其特征在于，包括：

柔性衬底；

形成于所述柔性衬底上的源极和漏极；

形成于所述柔性衬底上的功能化纳米碳材料层，所述的功能化纳米碳材料层的表面修饰有特异性受体，所述的功能化纳米碳材料层电性连接于所述的源极和漏极之间；

栅极。

2.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于：所述的特异性受体选自抗体、酶、蛋白质、肽、氨基酸、核酸适体、脂、辅因子或碳水化合物。

3.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于：所述的栅极为Ag/AgCl参比电极。

4.权利要求1至3任一所述的生物传感器的制作方法，其特征在于，包括：

s1、在柔性衬底上通过喷墨打印法或溶胶打印法制作源极和漏极；

s2、通过喷墨打印法或溶胶打印法在源极和漏极之间制作功能化纳米碳材料层；

s3、活化功能化纳米碳材料层上吸附的功能化羧基，并采用特异性受体对功能化纳米碳材料层进行修饰，采用封闭试剂保护未反应的活化羧基。

5.根据权利要求4所述的生物传感器的制作方法，其特征在于：所述的柔性衬底选自聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚酰亚胺、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯或聚丙烯；所述的功能化纳米碳材料层的材质选自构成交叠网络的功能化石墨烯、功能化单壁碳纳米管或功能化多壁碳纳米管结构；所述的封闭试剂选自乙醇胺、牛血清白蛋白、脱脂奶粉或干酪素。

6.根据权利要求4所述的生物传感器的制作方法，其特征在于：所述的步骤s2中，还包括制备功能化纳米碳材料溶液，所述的功能化纳米碳材料溶液的制备方法如下：称取1-芘丁酸溶解于浓度为0.01-0.5mg/mL的纳米碳材料溶液中，溶剂为DMF，于室温搅拌反应过夜，溶液分离后取下层沉淀，加入DMF中溶解分散即为功能化纳米碳材料溶液。

7.根据权利要求6所述的生物传感器的制作方法，其特征在于：所述1-芘丁酸与纳米碳材料的质量比为（10-150）：1。

8.根据权利要求4所述的生物传感器的制作方法，其特征在于：所述的步骤s3具体包括：将功能化纳米碳材料层浸入2-8mM1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和8-20mM N-羟基琥珀酰亚胺的混合溶液1-3h，活化碳材料上吸附的功能化羧基，反应后用PH=7.4的PBS缓冲溶液清洗；采用特异性受体对功能化纳米碳材料层进行修饰，其后采用封闭试剂保护未反应的活化羧基，每步反应后均用PH=7.4的PBS缓冲溶液进行清洗。

9.根据权利要求4所述的生物传感器的制作方法，其特征在于：所述功能化纳米碳材料层所形成电阻为10~100kΩ。

10.权利要求1所述生物传感器的检测方法，其特征在于：将待检测物质液体置于功能化纳米碳材料层上，将栅极的一端插入在待检测物质液体里，通过调节栅极电压调控电流信号强弱，实现对待检测物质的检测或量化，所述的待检测物质液体选自重金属离子或蛋白质溶液。