CN104807869A - 一种基于二维纳米材料的生物传感器及其制作与集成方法 - Google Patents

Abstract

一种基于二维纳米材料的生物传感器及其制作与集成方法。本发明涉及一种高灵敏度生物传感器及其制作与集成方法，具体涉及基于二维纳米材料的生物传感器及其制作与集成方法。本发明是为了解决现有生物传感器分析速度慢，操作复杂，设备昂贵以及采用电化学法制作的电极其电化学响应易受到非导电性材料使用的影响的问题。本发明的生物传感器的制作集成方法，首先基于黑磷、二硫化钼等二维纳米材料采用自下而上加工方法制作FET场效应管；继而利用聚二甲基硅氧烷在晶片上制作出微流体通道，并与经过表面改性的晶片键合；最后对微流体通道中的二维纳米材料进行化学修饰，并结合待检测物质的相应抗体。

Description

一种基于二维纳米材料的生物传感器及其制作与集成方法

技术领域

本发明涉及一种高灵敏度生物传感器及其制作与集成方法，具体涉及基于二维纳米材料的生物传感器及其制作与集成方法。

背景技术

随着世界人口进入老龄化社会，高龄者的健康问题日益引起全世界范围内的研究人员的关注。专家指出，今后医疗手段的发展方向，将由现在的治疗医疗向将来的预防医疗转变。因此，对一些疾病的先期预兆，如血糖、尿素、乳酸等生化指标的变化，进行有效、简便、快速、准确的测定，愈发引起医疗业界的关注。因此，开发出一种高灵敏度、快速且低成本的疾病检测传感器，对这些疾病的预防与诊治具有深远意义。

现在的生物传感器分析速度慢，操作复杂，并且一般需要昂贵的仪器，无法进行现场快速监测和分析，为疾病的及时诊断带来一定的困难。专利CN102520038A采用电化学法依次电沉积石墨烯、纳米金和导电高分子沉积在电极表面，然后以共价键合方式将酶或抗体固定在导电高分子膜上，但电极的电化学响应易受到非导电性材料使用的影响。

发明内容

本发明是为了解决现有生物传感器分析速度慢，操作复杂，设备昂贵以及采用电化学法制作的电极其电化学响应易受到非导电性材料使用的影响的问题，而提供一种基于二维纳米材料的生物传感器及其制作与集成方法。

本发明的一种基于二维纳米材料的生物传感器由硅衬底1、二氧化硅衬底2、栅极3、二维纳米材料的纳米条带4、源极5、漏极6、聚二甲基硅氧烷7、微流体通道8、化学基团层9、抗体10和抗体识别单元11组成；

所述的二氧化硅衬底2位于硅衬底1的上表面；所述的栅极3位于硅衬底1的下表面；所述的二维纳米材料的纳米条带4位于二氧化硅衬底2的上表面；所述的聚二甲基硅氧烷7呈拱形且位于二维纳米材料的纳米条带4上表面的中间位置；所述的聚二甲基硅氧烷7与二维纳米材料的纳米条带4形成的空间为微流体通道8；所述的化学基团层9位于微流体通道8内的二维纳米材料的纳米条带4的上表面上；所述的源极5位于二维纳米材料的纳米条带4的上表面的一端且与聚二甲基硅氧烷7相接；所述的漏极6位于二维纳米材料的纳米条带4的上表面的另一端且与聚二甲基硅氧烷7相接；所述的抗体10和抗体识别单元11位于化学基团层9上。

本发明的一种基于二维纳米材料的生物传感器的制作与集成方法按以下步骤进行：

一、基于二维纳米材料采用自下而上的加工方法制作FET场效应管；

二、利用聚二甲基硅氧烷在步骤一的晶片上制作出微流体通道，并与经过表面改性的步骤一的晶片键合；

三、对微流体通道中的二维纳米材料进行化学修饰，结合待检测物质的相应抗体。

本发明的有益效果：

相比于传统的检测设备，本发明的基于二维纳米材料的生物传感器具有以下优势：

1、高灵敏度，由于黑磷、二硫化钼等二维纳米材料具有较大的比表面积，而且其对生物分子具有优良的吸附性能，另外，传感器中场效应晶体管具有信号放大的作用，可以把少量的电荷信号进行放大，使得基于黑磷、二硫化钼等二维纳米材料的场效应FET传感器具有很高的灵敏度；

2、快速，硅基半导体芯片的速度可以达到GHz频率，而基于黑磷、二硫化钼等二维材料的场效应FET传感器可以达到更高的速度，与传统的检测设备相比，其检测速度是非常快的；

3、易于集成，制作过程与半导体工艺相互兼容，容易与成熟的半导体制造技术以及新兴的MEMS等行业兼容，从而可以得到功能丰富、性能优越的传感器。

附图说明

图1为具体实施方式四中步骤2)后的传感器部分结构示意图；其中1为硅衬底，2为二氧化硅衬底；

图2为具体实施方式四中步骤3)后的传感器部分结构示意图；其中1为硅衬底，2为二氧化硅衬底，3为栅极；

图3为具体实施方式四中步骤5)后的传感器部分结构示意图；其中1为硅衬底，2为二氧化硅衬底，3为栅极，4为二维纳米材料的纳米条带；

图4为具体实施方式四中步骤6)后的传感器部分结构示意图；其中1为硅衬底，2为二氧化硅衬底，3为栅极，4为二维纳米材料的纳米条带，5为源极，6为漏极；

图5为本发明传感器制作过程中传感阵列放大图；

图6为具体实施方式十中步骤1)后的传感器部分结构示意图；其中1为硅衬底，2为二氧化硅衬底，3为栅极，4为二维纳米材料的纳米条带，5为源极，6为漏极，7为聚二甲基硅氧烷，8为微流体通道，9为化学基团层；

图7为本发明的传感器结构示意图；其中1为硅衬底，2为二氧化硅衬底，3为栅极，4为二维纳米材料的纳米条带，5为源极，6为漏极，7为聚二甲基硅氧烷，8为微流体通道，9为化学基团层，10为抗体，11为抗体识别单元。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种基于二维纳米材料的生物传感器由硅衬底1、二氧化硅衬底2、栅极3、二维纳米材料的纳米条带4、源极5、漏极6、聚二甲基硅氧烷7、微流体通道8、化学基团层9、抗体10和抗体识别单元11组成；

所述的二氧化硅衬底2位于硅衬底1的上表面；所述的栅极3位于硅衬底1的下表面；所述的二维纳米材料的纳米条带4位于二氧化硅衬底2的上表面；所述的聚二甲基硅氧烷7呈拱形且位于二维纳米材料的纳米条带4上表面的中间位置；所述的聚二甲基硅氧烷7与二维纳米材料的纳米条带4形成的空间为微流体通道8；所述的化学基团层9位于微流体通道8内的二维纳米材料的纳米条带4的上表面上；所述的源极5位于二维纳米材料的纳米条带4的上表面的一端且与聚二甲基硅氧烷7相接；所述的漏极6位于二维纳米材料的纳米条带4的上表面的另一端且与聚二甲基硅氧烷7相接；所述的抗体10和抗体识别单元11位于化学基团层9上。

具体实施方式二：本实施方式的一种基于二维纳米材料的生物传感器的制作与集成方法按以下步骤进行：

一、基于二维纳米材料采用自下而上的加工方法制作FET场效应管；

二、利用聚二甲基硅氧烷在步骤一的晶片上制作出微流体通道，并与经过表面改性的步骤一的晶片键合；

三、对微流体通道中的二维纳米材料进行化学修饰，结合待检测物质的相应抗体。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤一中所述的二维纳米材料为黑磷或二硫化钼。其他步骤及参数与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是：步骤一包括以下步骤：

1)硅片清洗：将硅片置于浓硫酸与双氧水组成的混合液中，在温度为70℃的水浴中加热10min～15min，取出硅片后用超纯水漂洗，然后将硅片置于氨水、双氧水与水组成的混合液中，在温度为70℃的水浴中加热10min～15min，取出硅片后用超纯水漂洗，再将硅片置于盐酸、双氧水与水组成的混合液中，在温度为70℃的水浴中加热10min～15min，取出硅片后用超纯水漂洗，最后将硅片置于双氧水与水组成的混合液中，在室温下腐蚀1min，取出硅片后用超纯水漂洗，再用氮气将硅片吹干，最后在温度为100℃的烘箱中干燥10min，去除硅片表面的有机物、金属离子及自然氧化层，得到硅衬底1；

2)腐蚀掩膜生长：用LPCVD方法或PECVD方法在步骤1)后的硅片上生长一层厚度为200nm～300nm的二氧化硅薄膜，得到二氧化硅衬底2；

3)背栅制作：利用磁控溅射FHR技术或电子束蒸发技术在硅片背面生长一层厚度为45nm～55nm的金属层，作为背栅，得到栅极3；

4)二维纳米材料薄膜制备：先利用转移或剥离的方法制作二维纳米材料薄膜，然后将二维纳米材料薄膜附着到步骤2)得到的二氧化硅衬底上；

5)纳米条带制作：用纳米条带模板先通过光刻，再通过干法刻蚀或湿法腐蚀，继而得到宽度为0.5μm～2μm、高度为100nm～500nm的均一性良好的纳米条带，得到二维纳米材料的纳米条带4；

6)FET场效应管源、漏电极制作：先用源、漏电极模板通过光刻的方法，在二氧化硅表面制作出源、漏电极图形，然后用电子束蒸发或磁控溅射的方法先溅射上一层厚度为10nm的金属Cr，再溅射上一层厚度为100nm的金属Au，再通过剥离的方法，使源极与漏极金属化，得到源极5和漏极6。其他步骤及参数与具体实施方式二或三相同。

本实施方式步骤6)中Cr的主要目的是增强衬底氧化硅表面与上层金属Au之间的粘附性。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一的1)中所述的浓硫酸与双氧水组成的混合液中浓硫酸与双氧水的体积比为7:3。其他步骤及参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是：步骤一的1)中所述的氨水、双氧水与水组成的混合液中氨水与双氧水的体积比为1:(1～3)，氨水与水的体积比为1:(5～7)。其他步骤及参数与具体实施方式四或五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是：步骤一的1)中所述的盐酸、双氧水与水组成的混合液中盐酸与双氧水的体积比为1:(1～2)，盐酸与水的体积比为1:(6～8)。其他步骤及参数与具体实施方式四至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是：步骤一的1)中所述的双氧水与水组成的混合液中双氧水与水的体积比为1:50。其他步骤及参数与具体实施方式四至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式的与具体实施方式二不同的是：步骤二包括以下步骤：

1)微流体通道模具制作：利用光刻的方法在硅片上制作得到微流通道模具；

2)浇筑模型：将聚二甲基硅氧烷预聚体倒在步骤1)得到的微流通道模具上，然后放置24小时，使之完全聚合；

3)晶片表面改性：将步骤一的晶片在氮气保护下置于氢氟酸缓冲液中腐蚀5s，取出后用超纯去离子水冲洗，氮气吹干后烘干，然后将晶片浸泡在有机修饰溶液中，在紫外光照射下处理2小时；

4)聚二甲基硅氧烷与晶片键合：将聚合好的聚二甲基硅氧烷转移到步骤3)后经过表面改性处理后的晶片上，对准，键合，得到聚二甲基硅氧烷7和微流体通道8。其他步骤及参数与具体实施方式二相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤三包括以下步骤：

1)化学基团修饰：将晶片放在戊二醛与磷酸盐缓冲液组成的混合液中，于摇床上反应1h，然后在步骤一的5)得到的纳米条带上修饰上化学基团，得到化学基团层9；

2)结合蛋白：在步骤1)中的化学基团上结合上待检测物质的相应抗体，得到抗体10和抗体识别单元11；

3)清洗：待反应完毕，用缓冲溶液清洗3遍，每遍5min，每遍间隔2min。其他步骤及参数与具体实施方式二相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是：所述的化学基团为丙烯胺、11-溴代癸基三氯硅烷、2-甲酯乙基三氯硅烷、辛基三氯硅烷、9-烯基氨基甲酸丁酯或氨丙烷基三氯硅烷。其他步骤及参数与具体实施方式十相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十或十一不同的是：步骤三的1)中所述的戊二醛与磷酸盐缓冲液组成的混合液中戊二醛与磷酸盐缓冲液体积比为1:15。其他步骤及参数与具体实施方式十或十一相同。

用以下试验验证本发明的有益效果：

试验一、本试验的一种基于二维纳米材料的生物传感器由硅衬底1、二氧化硅衬底2、栅极3、二维纳米材料的纳米条带4、源极5、漏极6、聚二甲基硅氧烷7、微流体通道8、化学基团层9、抗体10和抗体识别单元11组成；

所述的二氧化硅衬底2位于硅衬底1的上表面；所述的栅极3位于硅衬底1的下表面；所述的二维纳米材料的纳米条带4位于二氧化硅衬底2的上表面；所述的聚二甲基硅氧烷7呈拱形且位于二维纳米材料的纳米条带4上表面的中间位置；所述的聚二甲基硅氧烷7与二维纳米材料的纳米条带4形成的空间为微流体通道8；所述的化学基团层9位于微流体通道8内的二维纳米材料的纳米条带4的上表面上；所述的源极5位于二维纳米材料的纳米条带4的上表面的一端且与聚二甲基硅氧烷7相接；所述的漏极6位于二维纳米材料的纳米条带4的上表面的另一端且与聚二甲基硅氧烷7相接；所述的抗体10和抗体识别单元11位于化学基团层9上

所述的硅片为N型硅片；

所述的二维纳米材料为黑磷；

所述的化学基团为丙烯胺。

试验二、如试验一所述的一种基于黑磷的心肌肌钙蛋白传感器的制作与集成方法按以下步骤进行：

一、基于黑磷采用自下而上的加工方法制作FET场效应管；

二、利用聚二甲基硅氧烷在步骤一的晶片上制作出微流体通道，并与经过表面改性的步骤一的晶片键合；

三、对微流体通道中的二维纳米材料进行化学修饰，结合待检测物质的相应抗体；

步骤一包括以下步骤：

1)硅片清洗：将硅片置于浓硫酸与双氧水组成的混合液中，在温度为70℃的水浴中加热15min，取出硅片后用超纯水漂洗，然后将硅片置于氨水、双氧水与水组成的混合液中，在温度为70℃的水浴中加热10min，取出硅片后用超纯水漂洗，再将硅片置于盐酸、双氧水与水组成的混合液中，在温度为70℃的水浴中加热15min，取出硅片后用超纯水漂洗，最后将硅片置于双氧水与水组成的混合液中，在室温下腐蚀1min，取出硅片后用超纯水漂洗，再用氮气将硅片吹干，最后在温度为100℃的烘箱中干燥10min，去除硅片表面的有机物、金属离子及自然氧化层，得到硅衬底1；

所述的硅片为N型硅片；

2)腐蚀掩膜生长：用LPCVD方法在步骤1)后的硅片上生长一层厚度为300nm的二氧化硅薄膜，得到二氧化硅衬底2；

3)背栅制作：利用磁控溅射FHR技术在硅片背面生长一层厚度为50nm的金属层，作为背栅，得到栅极3；

所述的金属层为Al层；

4)二维纳米材料薄膜制备：先利用剥离的方法制作黑磷薄膜，然后将黑磷薄膜附着到步骤2)得到的二氧化硅衬底上；

采用剥离的方法制备二维纳米材料薄膜，具体过程如下：

将黑磷晶体反复粘贴撕开，剥离黑磷晶体片层，然后将附着有微量黑磷晶体的胶带粘贴在步骤2)后的二氧化硅基片上，保持10分钟，再用溶剂将胶带溶去，黑磷晶体即附着在二氧化硅基片上；

5)纳米条带制作：用黑磷条带模板先通过电子束光刻的方法，再通过干法刻蚀，从而得到宽度为2μm、高度为500nm的均一性良好的纳米条带，得到黑磷的纳米条带4；

6)FET场效应管源、漏电极制作：先用源、漏电极模板通过步进投影式光刻的方法，在氧化硅表面制作出源、漏电极图形，然后用电子束蒸发或磁控溅射的方法先溅射上一层厚度为10nm的金属Cr，再溅射上一层厚度为100nm的金属Au，再通过剥离的方法，使源极与漏极金属化，得到源极5和漏极6；

步骤一的1)中所述的浓硫酸与双氧水组成的混合液中浓硫酸与双氧水的体积比为7:3；步骤一的1)中所述的氨水、双氧水与水组成的混合液中氨水与双氧水的体积比为1:1，氨水与水的体积比为1:5；步骤一的1)中所述的盐酸、双氧水与水组成的混合液中盐酸与双氧水的体积比为1:1，盐酸与水的体积比为1:6；步骤一的1)中所述的双氧水与水组成的混合液中双氧水与水的体积比为1:50；

步骤二包括以下步骤：

1)微流体通道模具制作：利用光刻的方法在硅片上制作得到微流通道模具；

2)浇筑模型：将聚二甲基硅氧烷预聚体倒在步骤1)得到的微流通道模具上，然后放置24小时，使之完全聚合；

3)晶片表面改性：将步骤一的晶片在氮气保护下置于氢氟酸缓冲液中腐蚀5s，取出后用超纯去离子水冲洗，氮气吹干后烘干，然后将晶片浸泡在有机修饰溶液中，在紫外光照射下处理2小时；

4)聚二甲基硅氧烷与晶片键合：将聚合好的聚二甲基硅氧烷转移到步骤3)后经过表面改性处理后的晶片上，对准，键合，得到聚二甲基硅氧烷7和微流体通道8。

步骤三包括以下步骤：

1)化学基团修饰：将晶片放在戊二醛与磷酸盐缓冲液组成的混合液中，于摇床上反应1h，在步骤一的5)得到的纳米条带上修饰上化学基团，得到化学基团层9；

所述的化学基团为丙烯胺；

2)结合蛋白：在步骤1)中的化学基团上结合上待检测物质的相应抗体，得到抗体10和抗体识别单元11；

所述的待检测物质的相应抗体为检测心肌梗塞的标志性蛋白心肌肌钙蛋白相应抗体；

具体过程为：将含心肌肌钙蛋白相应抗体的缓冲溶液用蠕动泵吸入到微流体通道8中，在室温下反应24h；

3)清洗：待反应完毕，用缓冲溶液清洗3遍，每遍5min，每遍间隔2min。

步骤三的1)中所述的戊二醛与磷酸盐缓冲液组成的混合液中戊二醛与磷酸盐缓冲液体积比为1:15；

步骤三的1)中所述的磷酸盐缓冲液PH＝7.2；

试验三、本试验的一种基于二维纳米材料的生物传感器由硅衬底1、二氧化硅衬底2、栅极3、二维纳米材料的纳米条带4、源极5、漏极6、聚二甲基硅氧烷7、微流体通道8、化学基团层9、抗体10和抗体识别单元11组成；

所述的二氧化硅衬底2位于硅衬底1的上表面；所述的栅极3位于硅衬底1的下表面；所述的二维纳米材料的纳米条带4位于二氧化硅衬底2的上表面；所述的聚二甲基硅氧烷7呈拱形且位于二维纳米材料的纳米条带4上表面的中间位置；所述的聚二甲基硅氧烷7与二维纳米材料的纳米条带4形成的空间为微流体通道8；所述的化学基团层9位于微流体通道8内的二维纳米材料的纳米条带4的上表面上；所述的源极5位于二维纳米材料的纳米条带4的上表面的一端且与聚二甲基硅氧烷7相接；所述的漏极6位于二维纳米材料的纳米条带4的上表面的另一端且与聚二甲基硅氧烷7相接；所述的抗体10和抗体识别单元11位于化学基团层9上

所述的硅片为P型硅片；

所述的二维纳米材料为二硫化钼；

所述的化学基团为2-甲酯乙基三氯硅烷。

试验四、如试验三所述的一种基于二硫化钼的前列腺癌标志性蛋白PSA蛋白传感器的制作与集成方法按以下步骤进行：

一、基于二硫化钼采用自下而上的加工方法制作FET场效应管；

二、利用聚二甲基硅氧烷在步骤一的晶片上制作出微流体通道，并与经过表面改性的步骤一的晶片键合；

三、对微流体通道中的二维纳米材料进行化学修饰，结合待检测物质的相应抗体；

步骤一包括以下步骤：

1)硅片清洗：将硅片置于浓硫酸与双氧水组成的混合液中，在温度为70℃的水浴中加热15min，取出硅片后用超纯水漂洗，然后将硅片置于氨水、双氧水与水组成的混合液中，在温度为70℃的水浴中加热10min，取出硅片后用超纯水漂洗，再将硅片置于盐酸、双氧水与水组成的混合液中，在温度为70℃的水浴中加热15min，取出硅片后用超纯水漂洗，最后将硅片置于双氧水与水组成的混合液中，在室温下腐蚀1min，取出硅片后用超纯水漂洗，再用氮气将硅片吹干，最后在温度为100℃的烘箱中干燥10min，去除硅片表面的有机物、金属离子及自然氧化层，得到硅衬底1；

所述的硅片为P型硅片；

2)腐蚀掩膜生长：用PECVD方法在步骤1)后的硅片上生长一层厚度为300nm的二氧化硅薄膜，得到二氧化硅衬底2；

3)背栅制作：利用电子束蒸发技术在硅片背面生长一层厚度为50nm的金属层，作为背栅，得到栅极3；

所述的金属层为Al层；

4)二维纳米材料薄膜制备：先利用转移的方法制作二硫化钼薄膜，然后将二硫化钼薄膜附着到步骤2)得到的二氧化硅衬底上；

采用转移的方法制备二维纳米材料薄膜，具体过程如下：

①首先在以铜箔作为基底的二硫化钼薄膜上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯作为保护层，然后将利用CVD方法生长在铜箔上的二硫化钼薄膜置入由硝酸铁、硝酸与水的组成的缓冲刻蚀液中腐蚀12h，铜箔溶解在刻蚀液中；

②用步骤2)后的二氧化硅基片上捞出漂浮在缓冲刻蚀液表面的二硫化钼薄膜，转移到去离子水中，漂洗3次，每次10min，最后捞出并置于热板烘1h；

③将步骤②后的附着有二硫化钼的二氧化硅基片放入丙酮中浸泡24h，并用异丙醇与去离子水清洗去除聚甲基丙烯酸甲酯，烘干，即完成二硫化钼的转移；

5)纳米条带制作：用二硫化钼条带模板先通过步进投影式光刻的方法，再通过RIE干法刻蚀，从而得到宽度为2μm、高度为500nm的均一性良好的纳米条带，得到二硫化钼的纳米条带4；

6)FET场效应管源、漏电极制作：先用源、漏电极模板通过步进投影式光刻的方法，在氧化硅表面制作出源、漏电极图形，然后用电子束蒸发或磁控溅射的方法先溅射上一层厚度为10nm的金属Cr，再溅射上一层厚度为100nm的金属Au，再通过剥离的方法，使源极与漏极金属化，得到源极5和漏极6；

步骤一的1)中所述的浓硫酸与双氧水组成的混合液中浓硫酸与双氧水的体积比为7:3；步骤一的1)中所述的氨水、双氧水与水组成的混合液中氨水与双氧水的体积比为1:3，氨水与水的体积比为1:7；步骤一的1)中所述的盐酸、双氧水与水组成的混合液中盐酸与双氧水的体积比为1:2，盐酸与水的体积比为1:8；步骤一的1)中所述的双氧水与水组成的混合液中双氧水与水的体积比为1:50；

步骤二包括以下步骤：

1)微流体通道模具制作：利用光刻的方法在硅片上制作得到微流通道模具；

2)浇筑模型：将聚二甲基硅氧烷预聚体倒在步骤1)得到的微流通道模具上，然后放置24小时，使之完全聚合；

3)晶片表面改性：将步骤一的晶片在氮气保护下置于氢氟酸缓冲液中腐蚀5s，取出后用超纯去离子水冲洗，氮气吹干后烘干，然后将晶片浸泡在有机修饰溶液中，在紫外光照射下处理2小时；

4)聚二甲基硅氧烷与晶片键合：将聚合好的聚二甲基硅氧烷转移到步骤3)后经过表面改性处理后的晶片上，对准，键合，得到聚二甲基硅氧烷7和微流体通道8。

步骤三包括以下步骤：

1)化学基团修饰：将晶片放在戊二醛与磷酸盐缓冲液组成的混合液中，于摇床上反应1h，在步骤一的5)得到的纳米条带上修饰上化学基团，得到化学基团层9；

所述的化学基团为2-甲酯乙基三氯硅烷；

2)结合蛋白：在步骤1)中的化学基团上结合上待检测物质的相应抗体，得到抗体10和抗体识别单元11；

所述的待检测物质的相应抗体为检测前列腺癌的标志性蛋白PSA相应抗体；

具体过程为：将含PSA相应抗体的缓冲溶液用蠕动泵吸入到微流体通道8中，在室温下反应24h；

3)清洗：待反应完毕，用缓冲溶液清洗3遍，每遍5min，每遍间隔2min。

步骤三的1)中所述的戊二醛与磷酸盐缓冲液组成的混合液中戊二醛与磷酸盐缓冲液体积比为1:15；

步骤三的1)中所述的磷酸盐缓冲液PH＝7.2。

Claims (10)

1.一种基于二维纳米材料的生物传感器，其特征在于一种基于二维纳米材料的生物传感器由硅衬底1、二氧化硅衬底2、栅极3、二维纳米材料的纳米条带4、源极5、漏极6、聚二甲基硅氧烷7、微流体通道8、化学基团层9、抗体10和抗体识别单元11组成；

所述的二氧化硅衬底2位于硅衬底1的上表面；所述的栅极3位于硅衬底1的下表面；所述的二维纳米材料的纳米条带4位于二氧化硅衬底2的上表面；所述的聚二甲基硅氧烷7呈拱形且位于二维纳米材料的纳米条带4上表面的中间位置；所述的聚二甲基硅氧烷7与二维纳米材料的纳米条带4形成的空间为微流体通道8；所述的化学基团层9位于微流体通道8内的二维纳米材料的纳米条带4的上表面上；所述的源极5位于二维纳米材料的纳米条带4的上表面的一端且与聚二甲基硅氧烷7相接；所述的漏极6位于二维纳米材料的纳米条带4的上表面的另一端且与聚二甲基硅氧烷7相接；所述的抗体10和抗体识别单元11位于化学基团层9上。

2.一种基于二维纳米材料的生物传感器的制作与集成方法，其特征在于一种基于二维纳米材料的生物传感器的制作与集成方法按以下步骤进行：

一、基于二维纳米材料采用自下而上的加工方法制作FET场效应管；

二、利用聚二甲基硅氧烷在步骤一的晶片上制作出微流体通道，并与经过表面改性的步骤一的晶片键合；

三、对微流体通道中的二维纳米材料进行化学修饰，结合待检测物质的相应抗体。

3.根据权利要求2所述的一种基于二维纳米材料的生物传感器的制作与集成方法，其特征在于步骤一中所述的二维纳米材料为黑磷或二硫化钼。

4.根据权利要求2所述的一种基于二维纳米材料的生物传感器的制作与集成方法，其特征在于步骤一包括以下步骤：

1)硅片清洗：将硅片置于浓硫酸与双氧水组成的混合液中，在温度为70℃的水浴中加热10min～15min，取出硅片后用超纯水漂洗，然后将硅片置于氨水、双氧水与水组成的混合液中，在温度为70℃的水浴中加热10min～15min，取出硅片后用超纯水漂洗，再将硅片置于盐酸、双氧水与水组成的混合液中，在温度为70℃的水浴中加热10min～15min，取出硅片后用超纯水漂洗，最后将硅片置于双氧水与水组成的混合液中，在室温下腐蚀1min，取出硅片后用超纯水漂洗，再用氮气将硅片吹干，最后在温度为100℃的烘箱中干燥10min，去除硅片表面的有机物、金属离子及自然氧化层，得到硅衬底1；

2)腐蚀掩膜生长：用LPCVD方法或PECVD方法在步骤1)后的硅片上生长一层厚度为200nm～300nm的二氧化硅薄膜，得到二氧化硅衬底2；

3)背栅制作：利用磁控溅射FHR技术或电子束蒸发技术在硅片背面生长一层厚度为45nm～55nm的金属层，作为背栅，得到栅极3；

4)二维纳米材料薄膜制备：先利用转移或剥离的方法制作二维纳米材料薄膜，然后将二维纳米材料薄膜附着到步骤2)得到的二氧化硅衬底上；

5)纳米条带制作：用纳米条带模板先通过光刻，再通过干法刻蚀或湿法腐蚀，继而得到宽度为0.5μm～2μm、高度为100nm～500nm的均一性良好的纳米条带，得到二维纳米材料的纳米条带4；

6)FET场效应管源、漏电极制作：先用源、漏电极模板通过光刻的方法，在二氧化硅表面制作出源、漏电极图形，然后用电子束蒸发或磁控溅射的方法先溅射上一层厚度为10nm的金属Cr，再溅射上一层厚度为100nm的金属Au，再通过剥离的方法，使源极与漏极金属化，得到源极5和漏极6。

5.根据权利要求4所述的一种基于二维纳米材料的生物传感器的制作与集成方法，其特征在于步骤一的1)中所述的硅片为N型硅片或P型硅片。

6.根据权利要求4所述的一种基于二维纳米材料的生物传感器的制作与集成方法，其特征在于步骤一的1)中所述的浓硫酸与双氧水组成的混合液中浓硫酸与双氧水的体积比为7:3；步骤一的1)中所述的氨水、双氧水与水组成的混合液中氨水与双氧水的体积比为1:(1～3)，氨水与水的体积比为1:(5～7)；步骤一的1)中所述的盐酸、双氧水与水组成的混合液中盐酸与双氧水的体积比为1:(1～2)，盐酸与水的体积比为1:(6～8)；步骤一的1)中所述的双氧水与水组成的混合液中双氧水与水的体积比为1:50。

7.根据权利要求2所述的一种基于二维纳米材料的生物传感器的制作与集成方法，其特征在于步骤二包括以下步骤：

1)微流体通道模具制作：利用光刻的方法在硅片上制作得到微流通道模具；

2)浇筑模型：将聚二甲基硅氧烷预聚体倒在步骤1)得到的微流通道模具上，然后放置24小时，使之完全聚合；

3)晶片表面改性：将步骤一的晶片在氮气保护下置于氢氟酸缓冲液中腐蚀5s，取出后用超纯去离子水冲洗，氮气吹干后烘干，然后将晶片浸泡在有机修饰溶液中，在紫外光照射下处理2小时；

4)聚二甲基硅氧烷与晶片键合：将聚合好的聚二甲基硅氧烷转移到步骤3)后经过表面改性处理后的晶片上，对准，键合，得到聚二甲基硅氧烷7和微流体通道8。

8.根据权利要求2所述的一种基于二维纳米材料的生物传感器的制作与集成方法，其特征在于步骤三包括以下步骤：

1)化学基团修饰：将晶片放在戊二醛与磷酸盐缓冲液组成的混合液中，于摇床上反应1h，然后在步骤一中5)得到的纳米条带上修饰上化学基团，得到化学基团层9；

2)结合蛋白：在步骤1)中的化学基团上结合上待检测物质的相应抗体，得到抗体10和抗体识别单元11；

3)清洗：待反应完毕，用缓冲溶液清洗3遍，每遍5min，每遍间隔2min。

9.根据权利要求8所述的一种基于二维纳米材料的生物传感器的制作与集成方法，其特征在于所述的化学基团为丙烯胺、11-溴代癸基三氯硅烷、2-甲酯乙基三氯硅烷、辛基三氯硅烷、9-烯基氨基甲酸丁酯或氨丙烷基三氯硅烷。

10.根据权利要求8所述的一种基于二维纳米材料的生物传感器的制作与集成方法，其特征在于步骤三的1)中所述的戊二醛与磷酸盐缓冲液组成的混合液中戊二醛与磷酸盐缓冲液体积比为1:15。