CN104977347A - 基于石墨烯的化学或生物传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的化学或生物传感器及其制作方法。该传感器包括：至少一端面为电绝缘面的基底；设置在基底一端面上的，具有设定图形结构的石墨烯层以及与石墨烯层配合的图形源、漏电极；覆盖基底一端面的除石墨烯层和源、漏电极之外的区域的钝化层；设置于基底另一端面上的栅电极；以及连接在石墨烯层上的，用以检测目标物质的识别物。其制作方法包括：在基底的电绝缘面上覆盖石墨烯层，并利用半导体工艺在石墨烯层和基底上制作晶体管结构，最后在石墨烯层表面修饰作为识别物的化学或生物分子以检测目标物质。本发明传感器易于制备，便于操作，并且具有灵敏度高、稳定性好，成本低等特点，适用于检测化学分子或疾病相关因子或病毒等。

Description

基于石墨烯的化学或生物传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种化学或生物传感器，特别涉及一种基于石墨烯的高灵敏化学或生物传感器及其制作方法，属于半导体制造技术及生物传感领域。

背景技术

目前，糖尿病、心血管类疾病、呼吸道疾病、肝病、癌症等严重威胁了人类的健康和社会的进步。虽然医学及相关学科不断的发展和进步，但在疾病的快速诊治方面仍是进展缓慢，并且随着我国社会逐渐的步入老年社会，一些慢性疾病的监测及诊疗上将是社会的一个迫切需求。部分疾病如果不能得到及时的发现，其将进一步发展，直至到达疾病晚期，将增加痊愈的难度，甚至威胁病人的生命安全。而一些心血管类的疾病如果不能及时得到诊断，对病人将是致命的。现今，疾病不能得以及早发现的主要原因在于，疾病相关特征不明显，相关疾病标记物浓度太低；最主要的是诊断仪器的分辨率未能跟上疾病的发展，同时，一些诊断手段费时长，费用高，也是阻碍其应用的原因。因此，提高仪器的灵敏度，降低成本对疾病的及时有效治疗以及人类健康的保证具有重要的意义。

相比于传统的检测装置，石墨烯场生物传感器具有以下优势：首先，石墨烯具有非常高的电子迁移率，其构成的的器件具有更高的检测灵敏度和响应速度；其次，由于石墨烯本身为碳材料，与生命体具有共同的特性，具有更好的生物亲和性；同时，石墨烯材料具有非常好的力学特性，可制备柔性器件。最后，原料来源丰富，可以降低器件的制造成本，使得高灵敏生物传感器得到大规模推广和应用。

目前已经存在大量的生化传感器，其中也有一些基于石墨烯的传感器，但大部分基于电化学原理进行检测，这种器件结构并没有充分利用石墨具有高电子迁移率的特点，因此其灵敏度和响应速度仍有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的基于石墨烯的化学或生物场效应传感器及其制作方法，从而克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于石墨烯的化学或生物传感器，包括：

至少一端面为电绝缘面的基底，

设置在所述基底一端面上的，具有设定图形结构的石墨烯层以及与石墨烯层配合的图形源、漏电极，

覆盖所述基底一端面的除所述石墨烯层和源、漏电极之外的区域的钝化层，

设置于所述基底另一端面上的栅电极， 

以及，连接在所述石墨烯层上的、用以检测目标物质的识别物。

一种基于石墨烯的化学或生物传感器的制作方法，包括如下步骤：

（1）提供至少一端面为电绝缘面的基底，并在所述基底的一端面上覆设石墨烯层，采用光刻工艺将第一光刻版图形转移到石墨烯层表面，再对石墨烯层进行蚀刻，蚀刻工艺包括等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺，从而形成包含石墨烯纳米带，且具有设定图形结构的石墨烯层；

（2）采用光刻工艺将第二光刻版图形转移到石墨烯层表面，再生长导电材料，进而剥离形成图形源、漏电极，同时在所述基底另一端面设置栅电极；

（3）在所述基底的一端面上采用钝化光刻版进行光刻定义图形，从而在所述基底的一端面除石墨烯层及源、漏电极之外的区域覆盖钝化层，所述钝化物包括氧化硅或氮化硅钝化层；

（4）对石墨烯层进行表面修饰改性，并在石墨烯层表面连接用以检测目标分子的识别物。

优选的，所述具有设定图形结构的石墨烯层中石墨烯条带的宽度为5nm~5μm。

优选的，所述源、漏电极的宽度为0.5~10μm。

进一步的，前述步骤（2）包括：利用光刻方法将第二光刻版图形转移到石墨烯层表面，再生长金属，并剥离得到源、漏电极，以及，在所述基底另一端面生长金属，作为栅电极，其中，生长金属的工艺包括电子束蒸发或磁控溅射方法。

进一步的，前述步骤（4）包括：在石墨烯层表面修饰化学分子，而后连接用以检测目标物质的识别物。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：该基于石墨烯的传感器易于制备，操作方便，并具有灵敏度高、稳定性好，成本低等特点，适用于检测化学分子、疾病相关因子(如DNA，RNA，蛋白质等)或病毒等。

附图说明

图1是本发明实施例1中表面覆设有石墨烯层的基底的结构示意图；

图2是本发明实施例1中基于石墨烯的传感器的结构示意图；

图3是本发明实施例1中基于石墨烯修饰苯胺分子的XPS测试图谱。

具体实施方式

本发明的一个方面提供了一种基于石墨烯的化学或生物传感器，包括：

至少一端面为电绝缘面的基底，

设置在所述基底一端面上的，具有设定图形结构的石墨烯层以及与石墨烯层配合的图形源、漏电极，

覆盖所述基底一端面的除所述石墨烯层和源、漏电极之外的区域的钝化层，

设置于所述基底的另一端面上的栅电极， 

以及，连接在所述石墨烯层上的，用以检测目标物质的识别物。

本发明的传感器系基于场效应晶体管的传感器，其充分利用了生物分子的biogating效应，在栅电场及源、漏电场作用下，器件表面分子的微量变化将引起器件沟道电流的大量变化，从而具有很高的检测灵敏度。

作为可行的实施方案之一，前述基底包括衬底以及生长于衬底表面的绝缘材料层。

其中，所述衬底材料可选自但不限于硅、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。

所述绝缘材料可选自但不限于氧化硅、氮化硅或氧化铝。

优选的，所述石墨烯层中石墨烯条带的宽度为5nm~5μm。

优选的，所述源电极和漏电极的宽度为0.5~10μm。

前述钝化层可以采用业界悉知的常见的钝化层材料，例如氧化硅或氮化硅，但不限于此。

进一步的，也可在前述石墨烯层的局部表面掩盖钝化层，特别是在所述石墨烯层表面靠近源、漏电极的区域上覆设钝化层。

本发明的另一个方面提供了一种基于石墨烯的化学或生物传感器的制作方法，包括如下步骤：

（1）提供至少一端面为电绝缘面的基底，并在所述基底的一端面上覆设石墨烯层，采用光刻工艺将第一光刻版图形转移到石墨烯层表面，再对石墨烯层进行蚀刻，前述蚀刻工艺可选自但不限于等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺，从而形成包含石墨烯纳米带，且具有设定图形结构的石墨烯层；

（2）采用光刻工艺将第二光刻版图形转移到石墨烯层表面，再生长导电材料，进而剥离形成图形源、漏电极，同时在所述基底另一端面设置栅电极；

（3）在所述基底的一端面上采用钝化光刻版进行光刻定义图形，从而在所述基底的一端面除石墨烯层及源、漏电极之外的区域覆盖钝化层，所述钝化物包括氧化硅或氮化硅钝化层；

（4）对石墨烯层进行表面修饰改性，并在石墨烯层表面连接用以检测目标分子的识别物。

进一步的，在本发明中，可至少选用机械剥离法、化学气相沉积法、化学氧化还原法中的任一种制备石墨烯，且不限于此。

作为可行实施方案之一，该制备方法包括：利用透明胶带粘贴石墨片，通过多次重复，获得石墨烯。

作为可行实施方案之一，该制备方法包括：在铜衬底或表面沉积有铜或镍的硅片衬底上通入甲烷或乙炔，在800℃~1000℃高温下沉积碳原子，并进一步降温，使碳原子析出在衬底表面，获得少层石墨烯，层数在1~5层。

作为可行实施方案之一，该制备方法包括：将石墨烯利用氧化剂进行处理得到氧化石墨溶液，而后利用还原剂对氧化石墨溶液进行还原，得到石墨烯，所述氧化剂包括但不限于浓硫酸、高锰酸钾以及双氧水，所述还原剂可选自但不限于水合肼、硼氢化钠或对苯二胺。

作为可行实施方案之一，前述步骤（1）包括：以有机溶剂对衬底进行清洗，而后在衬底上生长绝缘材料层，获得所述基底。

其中，所述衬底包括柔性衬底或刚性衬底，所述刚性衬底可选用但不限于硅衬底，所述柔性衬底的材料可选用但不限于聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。

或者，前述基底亦可直接采用绝缘衬底。

例如，在一典型实施例中，该步骤（1）可以包含以下工序：

1）衬底清洗：利用丙酮与异丙醇对衬底进行清洗；

2）衬底钝化，在衬底上生长绝缘层。

作为可行实施方案之一，前述步骤（2）包括：将采用机械剥离法制备的石墨烯转移并粘接到基底的电绝缘表面，从而在所述基底的电绝缘表面上覆设石墨烯层。

作为可行实施方案之一，前述步骤（2）包括：除去采用化学气相沉积法制备的石墨烯中的金属元素后，再分散到水中形成分散液，而后利用基底捞出该分散液中的石墨烯，从而在所述基底的电绝缘表面上覆设石墨烯层，所述金属元素包括铜或镍。

作为可行实施方案之一，前述步骤（2）包括：将采用化学氧化还原法制备的石墨烯的分散液施加在所述基底的电绝缘表面，从而在所述基底的电绝缘表面上覆设石墨烯层，其中的施加方式包括滴加或旋涂。

作为可行实施方案之一，前述步骤（4）包括：利用紫外光刻机或步进光刻机将第二光刻版图形转移到石墨烯层表面，再通过电子束蒸发或磁控溅射生长金属，并剥离得到金属电极，即源、漏电极。

作为可行实施方案之一，前述步骤（2）包括：利用光刻方法将第二光刻版图形转移到石墨烯层表面，再生长金属，并剥离得到源、漏电极，以及，在所述基底另一端面生长金属，作为栅电极，其中，生长金属的工艺包括电子束蒸发或磁控溅射方法。

作为可行实施方案之一，前述步骤（4）包括：在石墨烯层表面修饰化学分子，而后连接用以检测目标物质的识别物，所述化学分子可选自但不限于3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）、1-醛基氨基苯或羟基琥珀酰亚胺酯1-芘丁酸，所述识别物可选自但不限于化学分子或生物分子。

本发明传感器易于制备，便于操作，并且具有灵敏度高、稳定性好，成本低等特点，适用于检测化学分子或疾病相关因子或病毒等。

应当理解，在本说明书中，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。

以下结合附图及具体实施例进一步阐述本发明的技术方案。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1本实施例涉及一种高灵敏度快速的生物传感器的制作方法，其通过CVD方法生长石墨烯，将之转移到硅或有机柔性衬底，利用半导体工艺制作金属电极并钝化，接下来利用有机分子进行化学修饰，从而修饰上抗体等识别物。利用这种方法可以制作得到柔性、针对不同分子（如DNA、RNA或蛋白质等）或病毒的传感器，这种传感器具有高灵敏度，稳定，柔性、低成本等特点。

更为具体的，该制作方法包括如下步骤：

（一）石墨烯制备：

利用化学气相沉积方法（CVD）制备石墨烯，在铜衬底、沉积有铜或镍的硅片衬底上通入甲烷或乙炔，在900度高温下沉积碳原子，并进一步降温，使碳原子析出在金属表面，生长的石墨为少层石墨烯，层数在2层；

（二）石墨烯转移，包含并不仅限于以下方法：

1)  衬底清洗，衬底为2寸硅片，利用丙酮与异丙醇对衬底进行清洗；

2)  衬底钝化，利用PECVD在硅片上生长氧化硅300nm；

3)  石墨烯转移：

将生长后石墨烯浸泡在1mM硝酸铁溶液中，腐蚀去除铜，使石墨烯释放悬浮在溶液中，利用去离子水进行清洗，利用氧化硅片将石墨烯捞出水面；

4)  石墨烯纳米带制备，利用紫外光刻机、步进光刻机将光刻版图形转移到石墨烯表面，通过等离子刻蚀得到石墨烯纳米带，所述纳米带的宽度为50nm；

5)   金属化，利用紫外光刻机、步进光刻机将光刻版图形转移到石墨烯表面，通过电子束蒸发生长Ti/Au（厚度10nm/100nm），并剥离得到源电极、漏电极；

6)   钝化，先利用钝化光刻版进行光刻定义图形，在衬底表面除石墨烯及电极区域外覆盖一层氧化硅钝化层；

（三）对石墨烯进行表面修饰改性，使之修饰上cTnI抗体：

1)  表面化学修饰，将石墨烯表面修饰上苯胺分子（图3所示）；

2)  结合蛋白，结合上用以检测心肌梗死标志物的cTnI抗体；

    3)清洗，反应完毕，用缓冲溶液清洗3遍，每遍5~10分钟。

（四）心肌梗死检测：利用修饰完cTnI抗体的石墨烯传感器对多批次的心肌梗死患者血清样品及一系列心肌梗死标志物的标准样品进行检测，测试结果显示，该传感器检测灵敏度在0.01ng/mL到100ng/mL之间。

应当理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，但这些等价形式同样落于本发明所附权利要求书所限定的范围。

Claims (15)

1.一种基于石墨烯的化学或生物传感器，其特征在于包括：

至少一端面为电绝缘面的基底，

设置在所述基底一端面上的，具有设定图形结构的石墨烯层以及与石墨烯层配合的图形源、漏电极，

覆盖所述基底一端面的除所述石墨烯层和源、漏电极之外区域的钝化层，

设置于所述基底另一端面上的栅电极， 

以及，连接在所述石墨烯层上的、用以检测目标物质的识别物。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的化学或生物传感器，其特征在于所述石墨烯层中石墨烯条带的宽度为5nm~5μm。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的基于石墨烯的化学或生物传感器，其特征在于所述源电极和漏电极的宽度为0.5~10μm。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于石墨烯的化学或生物传感器，其特征在于所述钝化层包括氧化硅或氮化硅钝化层。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于石墨烯的化学或生物传感器，其特征在于所述石墨烯层的局部表面被钝化层掩盖。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的基于石墨烯的化学或生物传感器，其特征在于所述基底包括衬底以及生长于衬底表面的绝缘材料层，所述衬底材料包括硅、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷，所述绝缘材料包括氧化硅、氮化硅或氧化铝。

7.一种基于石墨烯的化学或生物传感器的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）提供至少一端面为电绝缘面的基底，并在所述基底的一端面上覆设石墨烯层，采用光刻工艺将第一光刻版图形转移到石墨烯层表面，再对石墨烯层进行蚀刻，蚀刻工艺包括等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺，从而形成包含石墨烯纳米带、且具有设定图形结构的石墨烯层；

（2）采用光刻工艺将第二光刻版图形转移到石墨烯层表面，再生长导电材料，进而剥离形成图形源、漏电极，同时在所述基底另一端面设置栅电极；

（3）在所述基底的一端面上采用钝化光刻版进行光刻定义图形，从而在所述基底的一端面除石墨烯层及源、漏电极之外的区域覆盖钝化层，所述钝化物包括氧化硅或氮化硅钝化层；

（4）对石墨烯层进行表面修饰改性，并在石墨烯层表面连接用以检测目标分子的识别物。

8.根据权利要求7所述基于石墨烯的化学或生物传感器的制作方法，其特征在于包括：至少选用机械剥离法、化学气相沉积法、化学氧化还原法中的任一种制备石墨烯。

9.根据权利要求7-8中任一项所述基于石墨烯的化学或生物传感器的制作方法，其特征在于包括：

利用透明胶带粘贴石墨片，通过多次重复，获得石墨烯；

或者，在铜衬底或表面沉积有铜或镍的硅片衬底上通入甲烷或乙炔，在800℃~1000℃高温下沉积碳原子，并进一步降温，使碳原子析出在衬底表面，获得少层石墨烯，层数在1~5层；

或者，将石墨烯利用氧化剂进行处理得到氧化石墨溶液，而后利用还原剂对氧化石墨溶液进行还原，得到石墨烯，所述氧化剂包括浓硫酸、高锰酸钾以及双氧水，所述还原剂包括水合肼、硼氢化钠或对苯二胺。

10.根据权利要求7-9中任一项所述基于石墨烯的化学或生物传感器的制作方法，其特征在于步骤（1）包括：以有机溶剂对衬底进行清洗，而后在衬底上生长绝缘材料层，获得所述基底；

其中，所述衬底包括柔性衬底或刚性衬底，所述刚性衬底包括硅衬底，所述柔性衬底的材料包括聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。

11.根据权利要求7-10中任一项所述基于石墨烯的化学或生物传感器的制作方法，其特征在于步骤（2）包括：

将采用机械剥离法制备的石墨烯转移并粘接到基底的电绝缘表面，从而在所述基底的电绝缘表面上覆设石墨烯层；

或者，除去采用化学气相沉积法制备的石墨烯中的金属后，将其转移至基底上，所述金属元素包括铜或镍；

或者，将采用化学氧化还原法制备的石墨烯的分散液施加在所述基底一端面上，从而在所述基底一端面上覆设石墨烯层，其中的施加方式包括滴加或旋涂。

12.根据权利要求7-11中任一项所述基于石墨烯的化学或生物传感器的制作方法，其特征在于所述具有设定图形结构的石墨烯层中石墨烯条带的宽度为5nm~5μm。

13.根据权利要求7-12中任一项所述基于石墨烯的化学或生物传感器的制作方法，其特征在于步骤（2）包括：利用光刻方法将第二光刻版图形转移到石墨烯层表面，再生长金属，并剥离得到源、漏电极，以及，在所述基底另一端面生长金属，作为栅电极，其中，生长金属的工艺包括电子束蒸发或磁控溅射方法。

14.根据权利要求7-13中任一项所述基于石墨烯的化学或生物传感器的制作方法，其特征在于所述源、漏电极的宽度为0.5~10μm。

15.根据权利要求7-14中任一项所述基于石墨烯的化学或生物传感器的制作方法，其特征在于步骤（4）包括：在石墨烯层表面修饰化学分子，而后连接用以检测目标物质的识别物，所述识别物包括化学分子或生物分子，所述化学分子包含APTES、1-醛基氨基苯或羟基琥珀酰亚胺酯1-芘丁酸。