CN104535635A - 一种石墨烯场效应晶体管生物传感器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物传感器的制备方法,涉及一种石墨烯场效应晶体管生物传感器的制备方法。所述制备方法的步骤为:(1)单层石墨烯铜板的制备;(2)传感器基底层上各器件的制备;(3)石墨烯的定向转移;(4)加热烘烤传感器,再使用丙酮除去PMMA,经过真空退火后、使用探针修饰石墨烯,得到石墨烯场效应晶体管生物传感器。本发明所述制备方法能够大规模的制备基于CVD石墨烯的生物传感器,铜刻蚀时间短,制备方法简单,快速,能大大降低制作成本;制备过程中只使用了一次PMMA聚合物,少于传统方法的次数(传统方法至少三次),大大提高了石墨烯表面的清洁度,保留了石墨烯本征的优越性能,更有利于后续探针的修饰。
Description
技术领域
本发明属于生物传感器的制备方法,特别涉及一种石墨烯场效应晶体管生物传感器的制备方法。
背景技术
现代医学技术的发展日新月异,而仪器装备技术的发展为各种医学技术应用到实际当中提供了可能。虽然现在临床上所用检测设备集成化和自动化都较高,但是仍然存在着不少局限,例如设备体积大、检测成本高、检测灵敏度和准确度不高。所以研制一种能够实时检测、高灵敏度、高特异性、无须标记、经济的微纳米生物传感器势在必行。近年来世界各国科学家发现基于纳米材料的场效应晶体管生物传感器能够满足临床各项要求和弥补相关局限,特别是基于石墨烯场效应晶体管生物传感器表现出了优越的电学性能和传感特性。
石墨烯是一种单层的碳原子二维纳米材料,石墨烯具备极高的载流子迁移率、导热性、出色的力学强度,其单原子层的二维晶体结构为发展高灵敏度的生物传感器提供了优势。目前制作的石墨烯场效应晶体管,其中石墨烯的制备途径主要有机械剥离法、化学液相剥离法、化学气相沉积法。机械剥离法的剥离效率很低、繁琐,不能够实现大规模的生产、限制了石墨烯运用到实际中。化学液相剥离法制备的石墨烯在强酸强氧化剂的作用下,对石墨烯的本征晶体结构破坏很大,一定程度上已经丧失了石墨烯的本征优越性能,并且采用滴涂等方法制备的场效应晶体管,其沟道中石墨烯的结构大小、形状和厚度不可控。采用化学气相沉积法制备出的单层石墨烯表现出了优越的电学性能,并且能够大规模的生产制备,弥补了机械剥离法和化学液相剥离法的缺陷,目前化学气相沉积法石墨烯的生物传感器一般采用“自下而上”的方法:首先通过化学气相沉积法在1×1cm2的铜片(Cu)上生长石墨烯(Graphene);然后在铜片上甩一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为支持层,形成PMMA/Graphene/Cu;再通过刻蚀溶液将铜片刻蚀,形成PMMA/Graphene,将PMMA/Graphene转移至硅片上,形成PMMA/Graphene/SiO2/Si,再使用化学溶剂等方法将PMMA去除,形成Graphene/SiO2/Si;在Graphene/SiO2/Si上再甩一层PMMA,采用光学曝光(即根据设计的器件形状,我们对PMMA进行曝光,被曝光区域的PMMA在显影液中会被去除,从而形成我们设计的形状,后面电子束蒸发就可以把金属沉积在这部分形成电极)、电子束蒸发技术(即将Ti/Au蒸发到没有PMMA的地方)和剥离(除去多余的PMMA,这部分PMMA上也有Ti/Au,但是因为是覆盖在PMMA上的,很容易在丙酮中被洗掉)等工艺在Graphene/SiO2/Si上制备电极,而后再甩一层PMMA,采用光学曝光(只保留了传感阵列处的PMMA,起到保护石墨烯免受后续离子束刻蚀工艺的刻蚀)和离子束刻蚀(将没有PMMA保护的石墨烯刻蚀掉)等工艺对导电沟道成型,即只保留传感阵列处的石墨烯,刻蚀掉多余的石墨烯。该“自下而上”的方法面临着几大难题:(1)需要昂贵的制备仪器和冗长的操作过程以及专业的技术人员;(2)铜刻蚀时间较长,一般需要2个小时以上;(3)由于在转移和光刻或电子束曝光、沟道成型的过程中都有使用各种有机物薄膜作为支持层和保护层,所以很容易有残胶残余在石墨烯的表面,影响了后续的探针修饰和石墨烯的电学性能。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,目的在于提供一种石墨烯场效应晶体管生物传感器的制备方法。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种石墨烯场效应晶体管生物传感器的制备方法,包括如下步骤:
(1)单层石墨烯铜板的制备:采用化学气相沉积法在铜片上生长石墨烯,然后在石墨烯上甩一层PMMA作为支持层;
(2)传感器基底层上各器件的制备:在传感器基底层上制备传感阵列、电垫和导线;所述传感阵列包括至少2条平行的金属电极,每两条顺次相邻的金属电极组合构成一组金属电极对,共组成至少1组金属电极对,所述传感阵列中的每条金属电极分别通过导线与电垫相连接,所述电垫与外侧信号检测装置连接;
(3)石墨烯的定向转移:从步骤(1)制备的单层石墨烯铜板上裁剪下一小片,其大小为恰好覆盖传感阵列,将剪下的石墨烯铜片进行铜刻蚀,刻蚀结束后再转移至所述传感阵列的位置,得到负载石墨烯/PMMA的传感器;
(4)对负载石墨烯/PMMA的传感器进行加热烘烤,使石墨烯和传感阵列结合的更牢固,然后除去PMMA,再经过真空退火后,得到负载石墨烯的传感器;
(5)最后使用探针修饰传感阵列上的石墨烯,得到石墨烯场效应晶体管生物传感器。
按上述方案,在石墨烯定向转移之前,采用APTES(3-氨丙基三乙氧基硅烷)修饰所述传感阵列。
按上述方案,所述APTES修饰的方法为:将步骤(2)得到的已经制备好各器件的传感器羟基化处理后,放在APTES:IPA体积比为1:100的溶液中修饰十分钟,再将器件置于IPA中清洗,用氮气吹干。
按上述方案,步骤(4)所述除去PMMA的步骤为:将传感器用IPA/DI溶液清洗后,再置于60℃的热丙酮中过夜。
按上述方案,所述加热烘烤的条件为:220℃条件下烘烤5分钟。
按上述方案,所述真空退火为:200℃退火2小时。
按上述方案,所述化学气相沉积法在铜片上生长石墨烯的工艺为:将铜片放入石英管内,置于管式炉中,设置炉内温度为1070℃,同时向管式炉内通入300sccm的氢气,通气时间持续50min,然后通入5sccm的甲烷和700sccm的氢气的混合气体用于生长石墨烯,通气时间持续30min;随后,将石英管移至加热区外,快速降温以形成单层的石墨烯。
按上述方案,所述刻蚀溶液为硫酸铜:浓盐酸:水(10g:50ml:50ml)的混合溶液,所述铜刻蚀的时间为15min左右。
按上述方案,所述传感阵列包括7条平行的金属电极,每两条顺次相邻的金属电极组合构成一组金属电极对,共组成6组金属电极对,所述7条金属电极各通过一根导线与一个电垫相连接。
按上述方案,所述探针为DNA探针或PNA探针。
本发明的有益效果:与现有技术相比,本发明所述制备方法能够大规模的制备基于化学气相沉积法(CVD)石墨烯的生物传感器,铜刻蚀时间短,制备方法简单,快速,能大大降低制作成本,即器件制作过程的成本和石墨烯成本;采用本发明制备方法,一片1×1cm2大小的石墨烯可生产一百余个器件,同时该方法在转移石墨烯的过程中只使用了一次PMMA等聚合物,少于传统方法的次数(传统方法至少三次),大大提高了石墨烯表面的清洁度,保留了石墨烯本征的优越性能,更有利于后续探针的修饰。
附图说明
图1为石墨烯场效应晶体管生物传感器的制备流程图,其中(a)采用CVD法在铜片上制备石墨烯,(b)在石墨烯上甩一层PMMA作为支持层,(c)剪下的一小部分石墨烯/PMMA/铜片,(d)铜刻蚀,(e)除去PMMA,(f)石墨烯/PMMA转移到APTES修饰的场效应晶体管上,(g)除去石墨烯表面的PMMA,得到干净的石墨烯。
图2为石墨烯场效应晶体管生物传感器结构图。
图3为传感阵列放大图。
图4为石墨烯场效应晶体管生物传感器的检测示意图。
图中:1为传感阵列,2为电垫(pad),3为导线,4为硅基质,5为二氧化硅,6为金属电极,7为石墨烯,8为银线。
具体实施方式:
为了更好地理解本发明,下面结合实施例进一步阐明本发明的内容,但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
参照图1和图2所示,石墨烯场效应晶体管生物传感器的结构:包括基底层,所述基底层由硅基质(6)及沉积在硅基质上的二氧化硅(7)构成,基底层上设有传感阵列(1)、电垫(2)和导线(3),所述传感阵列包括7条平行的金属电极(4),每两条顺次相邻的金属电极组合构成一组金属电极对,共组成6组金属电极对,所述每组金属电极对的两条金属电极之间通过覆盖石墨烯形成石墨烯导电通道(5),所述7条金属电极各通过一根导线与一个电垫相连接,所述电垫与外侧信号检测装置连接。
上述石墨烯场效应晶体管生物传感器的制备方法,包括如下步骤:
(1)单层石墨烯铜板的制备:采用化学气相沉积法(CVD)在铜片上生长石墨烯,然后在石墨烯上甩一层PMMA作为支持层,所述CVD法生长石墨烯的过程为:将纯度为99.8wt%,25μm厚,1×1cm2大小的铜片放入石英管内,置于管式炉中,设置炉内温度为1070℃,同时向管式炉内通入300sccm的氢气,通气时间为50min,然后通入5sccm的甲烷和700sccm的氢气混合气体用于生长石墨烯,通气时间为30min;随后,将石英管移至加热区外,快速降温以形成单层的石墨烯;
(2)传感器基底层上各器件的制备:采用光学曝光和电子束蒸发镀膜、剥离等工艺,在传感器基底层上(硅片)上制备传感阵列、电垫和导线;本实施例中也可以在4英寸的硅片上先制备多份传感器件(包括传感阵列、电垫和导线),然后用金刚刀工具将4英寸的硅片切成一百余个小的传感器;
(3)石墨烯的定向转移:采用APTES修饰传感阵列,将已经制备好的传感器器件放在弱酸溶液中浸泡10分钟(羟基化处理),再置于APTES/IPA(1:100)溶液中修饰十分钟,再将器件置于IPA中清洗,用氮气吹干,从步骤(1)制备的单层石墨烯铜板上裁剪下一小片,其大小为恰好覆盖传感阵列,将剪下的石墨烯铜片放置到刻蚀溶液硫酸铜:浓盐酸:水(10g:50ml:50ml)的混合溶液中进行铜刻蚀,大约一刻钟左右,刻蚀结束后用IPA/DI溶液清洗3次,每次10分钟,再定向转移至传感阵列的位置,使得传感器阵列的电极对上负载上石墨烯/PMMA;
(4)将步骤(3)得到的负载石墨烯/PMMA的传感器在220℃条件下烘烤5分钟,用IPA/DI溶液清洗,然后再置于60℃的热丙酮中过夜,最后在200℃的真空环境中退火2小时,去除石墨烯表面的PMMA,得到负载石墨烯的传感器;
(5)使用PNA探针修饰步骤(4)得到的负载石墨烯的传感器:a.滴涂5微升、5mMPASE(1-芘丁酸琥珀酰胺酯)的DMSO(二甲亚砜)溶液于传感阵列处,室温放置一小时,后分别用DMSO溶液,乙醇和超纯水冲洗,氮气吹干;b.取5微升、10μM的PNA探针滴至传感阵列的表面,室温放置两小时,后依次用0.2wt%SDS-1×PBS溶液,PH7.4的1×PBS和超纯水冲洗掉未固定的探针,氮气吹干;c.将修饰有PNA的器件浸没在100mM的乙醇胺溶液中1h,封闭石墨烯表面多余的活性位点,避免非特异性吸附的产生,后用超纯水冲洗,氮气吹干后,得到石墨烯场效应晶体管生物传感器。
本发明制备得到的石墨烯场效应晶体管生物传感器的使用方法:
对1个样本同时进行多组平行检测的方法:
(1)首先在传感阵列处滴加10μL 0.01xPBS缓冲液,使该缓冲液覆盖6组金属电极对,再在该缓冲液液滴上插入一根银线(8)作为栅极,每组金属电极对的两个金属电极分别与电垫相连接,再由电垫、栅极和外侧信号检测装置连接形成一个独立的电流通路,测定每组未杂交DNA的PNA所对应的电流;
(2)然后在传感阵列处滴加一滴含DNA待测样本的反应液,使该反应液滴覆盖6组金属电极对,待样本中DNA与石墨烯上的PNA杂交1小时后,冲洗吹干,再在传感阵列处滴加10μL 0.01xPBS缓冲液,使该缓冲液覆盖6组金属电极对,再在该缓冲液液滴上插入一根银线作为栅极,每组金属电极对的两个金属电极分别与电垫相连接,再由电垫、栅极和外侧信号检测装置连接形成一个独立的电流通路,测定PNA和DNA杂交后所对应的电流,由此形成6个独立的电流通路实现对待测样本的6组平行检测。
同时进行多个样本检测的检测方法:
(1)首先在传感阵列处滴加10μL 0.01xPBS缓冲液,使该缓冲液覆盖6组金属电极对,再在该缓冲液液滴上插入一根银线(8)作为栅极,每组金属电极对的两个金属电极分别与电垫相连接,再由电垫、栅极和外侧信号检测装置连接形成一个独立的电流通路,测定每组未杂交DNA的PNA所对应的电流;
(2)在传感阵列的6组金属电极对中分别滴加待检测的反应液样本,待各样本中DNA与石墨烯上的PNA杂交1小时后,冲洗吹干,然后在传感阵列处滴加10μL 0.01xPBS缓冲液,该缓冲液覆盖6组金属电极对,再在该缓冲液液滴上插入一根银线作为栅极,每组金属电极对的两个金属电极分别与电垫相连接,再由电垫、栅极和外侧信号检测装置连接形成一个独立的电流通路,测定PNA和DNA杂交后所对应的电流,由此形成6个独立的电流通路实现对6个独立检测样本的同时检测。
具体地,所述的反应液中含有的待测目标DNA滴加到金属电极对上时,待测目标DNA会与石墨烯上的PNA相互杂交,杂交后DNA上的核苷酸与石墨烯发生相互作用,使石墨烯发生n型掺杂,从而引起石墨烯狄拉克点的变化,然后通过外侧电信号检测装置即可以观察到待测目标DNA的浓度相对于电信号的变化。由此,可以通过这种电信号的变化来确定未知待测目标DNA的浓度。同理,也可将抗原或抗体固定在石墨烯上,来检测抗体分子或抗原分子。
综上,本发明所述制备方法能够大规模的制备基于化学气相沉积法(CVD)石墨烯的生物传感器,铜刻蚀时间短,制备方法简单,快速,能大大降低制作成本,即器件制作过程的成本和石墨烯成本;采用本发明制备方法,一片1×1cm2大小的石墨烯可生产一百余个器件,同时该方法在转移石墨烯的过程中只使用了一次PMMA等聚合物,少于传统方法的次数(传统方法至少三次),大大提高了石墨烯表面的清洁度,保留了石墨烯本征的优越性能,更有利于后续探针的修饰。采用本实施例制备的石墨烯场效应晶体管生物传感器可以实现多个样本的同时检测或对同一个样本同时进行多组平行检测的目的,并具有高通量、高灵敏度、分析速度快、体积小、试样用量少,成本低、易于大批量制备的优点。
Claims (10)
1.一种石墨烯场效应晶体管生物传感器的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)单层石墨烯铜板的制备:采用化学气相沉积法在铜片上生长石墨烯,然后在石墨烯上甩一层PMMA作为支持层;
(2)传感器基底层上各器件的制备:在传感器基底层上制备传感阵列、电垫和导线;所述传感阵列包括至少2条平行的金属电极,每两条顺次相邻的金属电极组合构成一组金属电极对,共组成至少1组金属电极对,所述传感阵列中的每条金属电极分别通过导线与电垫相连接,所述电垫与外侧信号检测装置连接;
(3)石墨烯的定向转移:从步骤(1)制备的单层石墨烯铜板上裁剪下一小片,其大小为恰好覆盖传感阵列,将剪下的石墨烯铜片进行铜刻蚀,刻蚀结束后再转移至所述传感阵列的位置,得到负载石墨烯/PMMA的传感器;
(4)对负载石墨烯/PMMA的传感器进行加热烘烤,使石墨烯和传感阵列结合的更牢固,然后除去PMMA,最后再经过真空退火后,得到负载石墨烯的传感器;
(5)最后使用探针修饰感阵列上的石墨烯,得到石墨烯场效应晶体管生物传感器。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在石墨烯定向转移之前,采用APTES修饰所述传感阵列。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述APTES修饰的方法为:将步骤(2)得到的已经制备好各器件的传感器羟基化处理后放在APTES:IPA体积比为1:100的溶液中修饰十分钟,再将器件置于IPA中清洗,用氮气吹干。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(4)所述除去PMMA的步骤为:将传感器用IPA/DI溶液清洗后,再置于60℃的热丙酮中过夜。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述加热烘烤为:220℃条件下烘烤5分钟。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述真空退火为:200℃退火2小时。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述化学气相沉积法在铜片上生长石墨烯的工艺为:将铜片放入石英管内,置于管式炉中,设置炉内温度为1070℃,同时向管式炉内通入300sccm的氢气,通气时间持续50min,然后通入5sccm的甲烷和700sccm的氢气的混合气体用于生长石墨烯,通气时间持续30min;随后,将石英管移至加热区外,快速降温以形成单层的石墨烯。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述铜刻蚀的刻蚀溶液为硫酸铜:浓盐酸:水=10g:50ml:50ml的混合溶液,铜刻蚀的时间为15min。
9.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述传感阵列包括7条平行的金属电极,每两条顺次相邻的金属电极组合构成一组金属电极对,共组成6组金属电极对,所述7条金属电极各通过一根导线与一个电垫相连接。
10.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述探针为DNA探针或PNA探针。
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