CN108957007A - 一种联合透析装置和硅纳米线场效应管的生物传感器 - Google Patents

一种联合透析装置和硅纳米线场效应管的生物传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN108957007A
CN108957007A CN201810818405.4A CN201810818405A CN108957007A CN 108957007 A CN108957007 A CN 108957007A CN 201810818405 A CN201810818405 A CN 201810818405A CN 108957007 A CN108957007 A CN 108957007A
Authority
CN
China
Prior art keywords
silicon
layer
silicon nanowires
nano
effect tube
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810818405.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108957007B (zh
Inventor
王彤
张烨
陈航
李增耀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuxi Peoples Hospital
Original Assignee
Wuxi Peoples Hospital
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuxi Peoples Hospital filed Critical Wuxi Peoples Hospital
Priority to CN201810818405.4A priority Critical patent/CN108957007B/zh
Publication of CN108957007A publication Critical patent/CN108957007A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108957007B publication Critical patent/CN108957007B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/68—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving proteins, peptides or amino acids
    • G01N33/6854—Immunoglobulins
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/574—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor for cancer
    • G01N33/57484—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor for cancer involving compounds serving as markers for tumor, cancer, neoplasia, e.g. cellular determinants, receptors, heat shock/stress proteins, A-protein, oligosaccharides, metabolites

Abstract

一种联合透析装置和硅纳米线场效应管的生物传感器，所述传感器包括透析装置、硅纳米线场效应管和信号输出电脑，所述透析装置通过细硅胶软管与硅纳米线场效应管连通；所述硅纳米线场效应管通过探针将信号传输到信号输出电脑。将血清去盐透析装置和硅纳米线场效应管连入同一管道中，以透析装置为过滤器，以半导体硅纳米线为沟道的具有双栅结构的场效应管为信号转换器，以与肿瘤标志物对应的抗体为生物敏感元件，实现对血清肿瘤标志物的即时、免标记、高灵敏性检测。

Description

一种联合透析装置和硅纳米线场效应管的生物传感器
技术领域
本发明涉及生物材料检测技术领域，尤其是一种利用硅纳米线场效应管等装置联合检测肿瘤标志物的生物传感器。
背景技术
恶性肿瘤是目前威胁人类健康的重大疾病之一，但是多数肿瘤出现临床表现都是处于晚期阶段，因而对其早期、快速、灵敏的诊断是提高人类生存质量的重要途径。目前临床上肿瘤发病的监控方法主要依靠影像学检查和肿瘤标志物检测。影像学检查由于分辨率和放射风险往往无法做到长期的随访。肿瘤标志物的检测虽然操作较为简便，但是肿瘤标志物检测的灵敏度和特异性成为限制其应用的重要因素。因而为肿瘤发病的风险判断和早期诊断寻找一个简单、准确的检测方法成为提高人类生存质量的重要研究方向。
目前临床上广泛采用的肿瘤标志物检测方法是经典的ELISA法，但由于其对于检测环境的要求高、检测主观性强、灵敏度低等特性一定程度上限制了临床运用。纳米(nanometer，nm)技术的迅速发展，为检测肿瘤标记物的检测方法带来了新思路。其中基于场效应管(Field-Effect Transistor，FET)的生物传感器因其可以直接将目标分子与器件表面的结合直接转化为电信号，作为一种灵敏性和特异性都较好的传感器，对于提高人类生存质量具有十分重大的意义，然而纳米技术在血清检测中的发展并不可观的原因之一就是血清中大量带电离子所产生的干扰太大，这种干扰包括假阳性反应和德拜屏蔽效应等。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明申请人提供了一种联合透析装置和硅纳米线场效应管的生物传感器。本发明将盐透析装置和硅纳米线场效应管连入同一管道中，以透析装置为过滤器，以半导体硅纳米线为沟道的具有双栅结构的场效应管为转换器，以与肿瘤标志物对应的抗体为生物敏感元件，实现对血清肿瘤标志物的即时、免标记、高灵敏性检测。
本发明的技术方案如下：
一种联合透析装置和硅纳米线场效应管的生物传感器，所述传感器包括透析装置(20)、硅纳米线场效应管(22)和信号输出电脑(24)，所述透析装置(20)通过细硅胶软管(11)与硅纳米线场效应管(22)连通；所述硅纳米线场效应管(22)通过探针(23)将信号传输到信号输出电脑(24)。
所述透析装置(20)由置于去离子水(12)中的三合一透析管(13)组成。
所述硅纳米线场效应管(22)包括硅纳米线集成电路芯片和PMDS微流管(10)；所述硅纳米线集成电路芯片包括背栅极(7)及平铺于背栅极(7)上方的绝缘硅片衬底(6)，所述绝缘硅片衬底(6)上设置有三个平行电极，分别为源极(1)、顶层栅极(2)和漏极(3)，所述源极(1)与漏极(3)在同一水平面，通过硅纳米线(5)相连；
所述绝缘硅片衬底(6)上以硅纳米线(5)为中心，两端分别连接源极(1)与漏极(3)形成一个电回流通路，硅纳米线(5)的上方隔一层氧化层(4)镀有顶层栅极(2)；
所述源极(1)、表面栅极(2)、漏极(3)外部均包裹钝化层(8)，仅裸露各电极、栅极与探针接触的端部及部分硅纳米线(5)；裸露部分硅纳米线形成硅纳米线开窗口(9)；
所述PDMS微流管(10)是覆盖于硅纳米线集成电路芯片上方的长方体，底面有120um深的沟道，在沟道两端打孔贯穿至上表面后，再在等离子体清洗机中将底面打上一层羟基，之后与修饰好抗体的硅纳米线集成电路芯片进行可逆性封接，从而形成一个包含纳米线在内的PDMS微流管。
一种联合透析装置和硅纳米线场效应管的生物传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(一)制作硅纳米线集成电路芯片；
(二)对硅纳米线表面进行修饰；
(三)制作PDMS微流管；
(四)制作透析装置；
(五)合成一体化的生物传感器。
所述步骤(一)包括如下工序：
A、表层硅减薄：6寸SOI片包括表面的195nm厚的硅层、硅层下120nm厚的氧化硅层和600um厚的绝缘衬底层，首先清洗SOI硅片，在氧化炉中通过干氧—湿氧—干氧900-1100℃高温氧化7-10个小时将部分表层硅进行氧化；再用BOE漂洗去掉形成的氧化硅层，形成表层硅只有30nm的SOI片；
B、硅纳米线的制备：在SOI片的表面硅层匀一层AR80胶后，通过NSR2205i12D光刻机曝光显影得到纳米线图形，用显影液洗掉图形外的胶后，利用RIE刻蚀机刻出硅纳米线(5)，刻蚀掉非硅纳米线区域的Si和SiO2，暴露出绝缘硅片衬底层(6)；
C、氧化层的构建：清洗SOI片上残留胶后，匀AZ5214胶，然后通过MA6紫外光刻机套刻方法在部分纳米线上形成氧化层图形，用显影液洗掉图形内的胶，然后利用ICPCVD方法在纳米线部分区域生长30-50nm厚的SiO2，形成氧化层(4)；
D、源极、漏极、双栅极图形的制备：清洗SOI片上残留胶后，匀AZ5214胶，利用MA6紫外光刻机套刻方法在特定位置制备源极、漏极、顶层栅极的图形，用显影液洗掉图形内的光刻胶后，利用磁控溅射FHR在SOI片表面依次沉积Ti/Au/Ti三层金属，厚度分别为5nm/10-100nm/5nm，最后剥离掉残余的胶及胶上的金属层后即可得到源极(1)、漏极(3)和顶层栅极(2)，再将SOI硅片反过来在背面利用磁控溅射FHR镀上背栅极(7)；
E、退火：将SOI片放置到快速退火炉进行退火，在退火炉充入氮气后，迅速升温至200℃维持30秒，然后升至330℃维持10秒，降温至常温，退火能构建SOI片上各电极金属层之间和源、漏极与硅纳米线之间良好的欧姆接触；
F、沉积钝化层：在SOI片表面匀一层AZ5214胶，利用MA6紫外光刻机套刻方法制备钝化层图形，用显影液洗掉图形外的胶，利用ICPCVD方法在SOI片表面沉积SiO2/SiNx形成钝化层(8)，厚度为100nm/160nm，然后利用丙酮超声剥离掉残留的光刻胶及胶上的钝化层，钝化层覆盖了除SOI片表面三个电极(源极、漏极和顶层栅极)与探针接触的端部和纳米线开窗口(9)外的全部SOI片表面；
所述步骤(二)包括如下具体内容：
A、Linker链的构建：将硅纳米线集成电路芯片表面清洁后，用等离子清洗机处理5min从而在SOI片表面形成一层羟基链，
随后放入10％APTES无水乙醇溶液中反应45min，然后用无水乙醇清洁掉残留的APTES，氮气吹干后于120℃加热1h，再放入2.5％戊二醛去离子水溶液中反应1小时，随后用去离子水清洗掉残留的戊二醛，氮气吹干；
B、将所要检测的肿瘤标志物的相应的抗体稀释至100ug/ml后，滴在纳米线开窗口(9)，抗体结合过程至少4小时，依次用PBS溶液和去离子水漂洗去除残留的蛋白；
所述步骤(三)包括如下具体内容：
A、将PDMS预聚物和其激发剂按10:1的质量比充分混匀后浇铸在模具上，然后放置在低气压罐中抽净PDMS中的气泡，放置在75℃烘箱中40分钟即可成型，再用细针打孔；
B、对清洁的PDMS进行氧等离子体处理5min，立即与硅纳米集成电路芯片进行可逆性封接；
所述步骤(四)包括如下具体内容：
将透析膜做成一个三合一透析管(13)接入硅胶细软管(11)中，然后将三合一透析管放置在一个装有大量流动去离子水的容器中，形成可以达到去盐效果的透析装置(20)；
所述步骤(五)包括如下具体内容：
用硅胶细软管(11)依次连接透析装置(20)、蠕动泵(19)、硅纳米线场效应管(22)，形成一个检测通路；探针(23)连接硅纳米线集成电路芯片的四个电极，将生物信号投射到电脑上转换为电信号。
一种利用所述传感器检测血清肿瘤标志物的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)针对所要检测的肿瘤标志物，利用APTES/戊二醛的化学键连接所需检测抗原的相关抗体，并将PDMS微流道与硅纳米线集成电路芯片进行可逆性封接，连接入整个检测系统中，形成一个流道通路；
(2)启动整个一体化装置，源、漏极设置的电压分别为2V、0V；顶层栅极的电压设置为2V，背层栅极设置的电压为-0.8V；蠕动泵为整个一体化设备的动力系统，流道通路中的流速均为80ul/min，通入检测液的时间为3min，检测液的总通量约240ul，血清样品首先通过透析设备，透过三合一透析管时，血清样品中的盐离子因透析管内外浓度差，绝大部分盐离子会进入管外的去离子水中，从而将血清达到去盐作用；
(3)进而经过去盐处理的血清进入硅纳米线场效应管时，在硅纳米线窗口，血清中的肿瘤标志物抗原与纳米线上修饰好的肿瘤标记物抗体特异性结合，因为抗原标志物在血清中带负电，结合在纳米线上时，能在纳米线周围形成一个电场，进而影响纳米线中的电流；
(4)探针台上的四根探针将这个电流的变化呈现在电脑上。
所述肿瘤标志物为癌胚抗原CEA、甲胎蛋白AFP、胰腺癌肿瘤标记物CA199、前列腺肿瘤标记物PSA中的一种；这些肿瘤标志物均为人体肿瘤标志物，检测时可人为添加到正常人血清中或直接检测相应的肿瘤患者的血清来证明这种生物传感器的检测能力。
利用本发明方法进行血清肿瘤标志物检测时，大量流动的去离子水能持续带走透析袋内血清中的盐离子，保留下需要检测的肿瘤标志物抗原蛋白，当血清中不含这种肿瘤标志物时，不会出现电信号的改变；当血清中含有这种肿瘤标志物时，硅纳米线上修饰的相关抗体会与这个肿瘤标志物发生特异性结合，这时抗原分子所带的负电荷会在硅纳米线周围形成一个负电效应场，这个负电效应场能够造成硅纳米线中大量的正电荷聚集，从而改变硅纳米线的电导和电流，形成电学信号的改变。
由于电荷的同性相斥和异性相吸规律，任一个带电粒子总是被一些异性粒子包围，所以它的电场只能作用在一定的距离内，超过这个距离，基本上就被周围异性粒子的电场所屏蔽。这个效应即为德拜屏蔽效应，这个距离即为德拜长度(λD)。在我们的检测中，只在肿瘤标志物与纳米线彼此距离小于德拜长度时，才有相互作用的电力。而德拜长度(λD)与检测溶液的离子强度(c)有关，计算公式为：
ε为介电常数，k为玻尔兹曼常数，T为温度，q为电量，c为检测溶液的离子强度(正常人体血液离子强度约为150mM)；
图7为本发明申请人通过计算得出的德拜长度(λD)与检测溶液的离子强度(c)之间的函数关系图，从图中可以得知当检测溶液的离子强度越低，所对应的德拜长度越长；当我们修饰上抗体蛋白后，当蛋白与纳米线表面的距离(d)小于德拜长度(λD)时，那么德拜屏蔽效应则不会屏蔽肿瘤标志物抗原蛋白上的负电荷的电场效应，也就不会影响检测结果，而当修饰上抗体蛋白后，当蛋白与纳米线表面的距离(d)大于德拜长度(λD)时，抗原分子所带的负电场将会被德拜屏蔽效应屏蔽掉，以致于不会影响硅纳米线中正电荷聚集，从而不能改变硅纳米线的电导和电流。
本发明有益的技术效果在于：
本发明联合盐析装置和硅纳米线场效应管一体化的生物传感器，将血清去盐透析装置和硅纳米线场效应管连入同一管道中，以透析装置为过滤器，以半导体硅纳米线为沟道的具有双栅结构的场效应管为信号转换器，以与肿瘤标志物对应的抗体为生物敏感元件，实现对血清肿瘤标志物的即时、免标记、高灵敏性检测。
本发明所用的三合一透析管能将检测样品中的盐离子快速滤出，保证通过透析装置后的血清盐离子浓度低至可以检测出肿瘤标志物的浓度；采用的硅纳米线器件为双栅极器件较以往使用的单栅极器件，具有更良好的稳定性，能够屏蔽声音和震动对检测的干扰，并且对肿瘤标志物的检测极限能够低至1fg/ml。
本发明是一种以与肿瘤标志物相对应的抗体作为生物敏感元件，利用电学信号的变化来反映抗体与血清中肿瘤标志物(为一种抗原蛋白)相互作用的生物传感器。人体血清中蛋白的等电点约为5-6，所以在人体PH(约为7.35-7.45)环境下蛋白均为带负电的小分子物质，当被检测的血清样品中含有一种特定的肿瘤标志物时，硅纳米线上修饰的相关的抗体则会与这个抗原发生特异性结合反应，硅纳米线上修饰的大量的相关抗体蛋白会结合上大量的抗原从而在硅纳米线周围形成一个负电效应场，这个负电效应场能够造成硅纳米线中大量的正电荷聚集，从而改变硅纳米线的电导和电流，这就是硅纳米线场效应管的检测原理；然而血清中除了蛋白以外，还存在着大量的带电离子(如钠离子、氯离子、钙离子和钾离子等)，这些带电离子会对硅纳米线场效应管的检测带来许多干扰，使得检测时假阳性结果频繁出现；并且国内外大量的研究已经证实如血清这类生物液体作为高离子强度溶液，能影响硅纳米线的德拜屏蔽长度，产生的德拜屏蔽效应能够屏蔽掉这个负电场效应。
为了解决这些干扰和德拜屏蔽效应，本发明将一个能滤过这些带电离子的透析装置应用至硅纳米线场效应管的检测中，能够很好地解决这些问题。这个透析装置的核心是一层透析膜，透析膜是具有一定孔径的滤过膜，小于这个孔径的物质能顺浓度通过透析膜，直至膜两侧浓度达到平衡，而大于这个孔径的物质则不能通过这层膜。膜两侧物质的浓度差是滤过的原始动力，在不破坏透析膜的温度范围内温度越高，滤过速率越快；透析膜与溶液接触面积越大，滤过速率越快；透析膜两侧物质的浓度差越大，透析速率越快。这个透析膜实质是一个孔径为3500道尔顿的多孔膜，盐离子能够顺浓度梯度透过这层膜，而这个孔径远小于蛋白的分子量(约为50-70千道尔顿)，所以应用这个透析装置能够在保留住我们需要检测的肿瘤标志物的同时去掉血清中大量的离子。
本发明利用三合一管实质是增大了检测液与透析膜的接触面积从而加快了透析速率；利用大量持续流动的去离子水作为透析液是为了将透析膜内外盐离子浓度差维持在最大差值，这也能加快透析速率。本发明采用一体化设备将透析装置和检测装置连入同一根管道，省去了样品去盐处理与检测等步骤之间的耗时，大大节约了从检测到出结果之间的耗时，从而达到了即时检测的目的。
本发明中硅纳米器件为一个集成电路系统，能够通过电路集成工艺在多块SOI片上大规模批量生产来降低成本，并且透析膜是一个可重复使用的材料。
附图说明
图1本发明示意图
图2为硅纳米线集成电路芯片示意图；
图3为硅纳米线场效应管示意图；
图4为透析装置示意图；
图5为抗体修饰原理示意图；
图6为血清肿瘤标志物检测原理示意图；
图7为德拜长度与检测样品离子强度的关系；
图中：1.源极，2.顶层栅极，3.漏极，4.氧化层，5.硅纳米线，6.硅片衬底，7.背栅极，8.钝化层，9.硅纳米线开窗口，10.PDMS微流道，11.细硅胶软管，12.去离子水，13.三合一透析管，14.血清盐离子，15.血清各种蛋白，16.肿瘤标志物相关抗体，17.纳米线内正电荷，18.肿瘤标志物，19.蠕动泵，20.透析装置，21.检测样品，22.硅纳米线场效应管，23.探针，24.信号输出电脑。
图8为本生物传感器对血清中的不同浓度的AFP的实时监测。
图9为本生物传感器对血清中的不同浓度的CEA的实时监测。
图10为本生物传感器对CEA标准品溶液的实时监测。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
实施例1
如图1、2、3、4所示，一种联合透析装置和硅纳米线场效应管的生物传感器，所述传感器包括透析装置20、硅纳米线场效应管22和信号输出电脑24，所述透析装置20通过细硅胶软管11与硅纳米线场效应管22连通；所述硅纳米线场效应管22通过探针23将信号传输到信号输出电脑24。
所述透析装置20由置于去离子水12中的三合一透析管13组成。
所述硅纳米线场效应管22包括硅纳米线集成电路芯片和PMDS微流管10；所述硅纳米线集成电路芯片包括背栅极7及平铺于背栅极7上方的绝缘硅片衬底6，所述绝缘硅片衬底6上设置有三个平行电极，分别为源极1、顶层栅极2和漏极3，所述源极1与漏极3在同一水平面，通过硅纳米线5相连；
所述绝缘硅片衬底6上以硅纳米线5为中心，两端分别连接源极1与漏极3形成一个电回流通路，硅纳米线5的上方隔一层氧化层4镀有顶层栅极2；
所述源极1、表面栅极2、漏极3外部均包裹钝化层8，仅裸露各电极、栅极与探针接触的端部及部分硅纳米线5；裸露部分硅纳米线形成硅纳米线开窗口9；
所述PDMS微流管10是覆盖于硅纳米线集成电路芯片上方的长方体，底面有120um深的沟道，在沟道两端打孔贯穿至上表面后，再在等离子体清洗机中将底面打上一层羟基，之后与修饰好抗体的硅纳米线集成电路芯片进行可逆性封接，从而形成一个包含纳米线在内的PDMS微流管。
一种联合透析装置和硅纳米线场效应管的生物传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(一)制作硅纳米线集成电路芯片；
(二)对硅纳米线表面进行修饰；
(三)制作PDMS微流管；
(四)制作透析装置；
(五)合成一体化的生物传感器。
所述步骤(一)包括如下工序：
A、表层硅减薄：6寸SOI片包括表面的195nm厚的硅层、硅层下120nm厚的氧化硅层和600um厚的绝缘衬底层，首先清洗SOI硅片，在氧化炉中通过干氧—湿氧—干氧900-1100℃高温氧化7-10个小时将部分表层硅进行氧化；再用BOE漂洗去掉形成的氧化硅层，形成表层硅只有30nm的SOI片；
B、硅纳米线的制备：在SOI片的表面硅层匀一层AR80胶后，通过NSR2205i12D光刻机曝光显影得到纳米线图形，用显影液洗掉图形外的胶后，利用RIE刻蚀机刻出硅纳米线5，刻蚀掉非硅纳米线区域的Si和SiO2，暴露出绝缘硅片衬底层6；
C、氧化层的构建：清洗SOI片上残留胶后，匀AZ5214胶，然后通过MA6紫外光刻机套刻方法在部分纳米线上形成氧化层图形，用显影液洗掉图形内的胶，然后利用ICPCVD方法在纳米线部分区域生长30-50nm厚的SiO2，形成氧化层4；
D、源极、漏极、双栅极图形的制备：清洗SOI片上残留胶后，匀AZ5214胶，利用MA6紫外光刻机套刻方法在特定位置制备源极、漏极、顶层栅极的图形，用显影液洗掉图形内的光刻胶后，利用磁控溅射FHR在SOI片表面依次沉积Ti/Au/Ti三层金属，厚度分别为5nm/10-100nm/5nm，最后剥离掉残余的胶及胶上的金属层后即可得到源极1、漏极3和顶层栅极2，再将SOI硅片反过来在背面利用磁控溅射FHR镀上背栅极7；
E、退火：将SOI片放置到快速退火炉进行退火，在退火炉充入氮气后，迅速升温至200℃维持30秒，然后升至330℃维持10秒，降温至常温，退火能构建SOI片上各电极金属层之间和源、漏极与硅纳米线之间良好的欧姆接触；
F、沉积钝化层：在SOI片表面匀一层AZ5214胶，利用MA6紫外光刻机套刻方法制备钝化层图形，用显影液洗掉图形外的胶，利用ICPCVD方法在SOI片表面沉积SiO2/SiNx形成钝化层8，厚度为100nm/160nm，然后利用丙酮超声剥离掉残留的光刻胶及胶上的钝化层，钝化层覆盖了除SOI片表面三个电极(源极、漏极和顶层栅极与探针接触的端部和纳米线开窗口9外的全部SOI片表面；
所述步骤(二)包括如下具体内容：
A、Linker链的构建：如图5所示为抗体修饰的原理，利用化学修饰法在纳米线上一步步连接上化学共价键，以这些化学共价键作为抗体与硅纳米线之间的桥梁，最终将抗体连接到硅纳米线上；步骤如下：将硅纳米线集成电路芯片表面清洁后，用等离子清洗机处理5min从而在SOI片表面形成一层羟基链，随后放入10％APTES无水乙醇溶液中反应45min，然后用无水乙醇清洁掉残留的APTES，氮气吹干后于120℃加热1h，再放入2.5％戊二醛去离子水溶液中反应1小时，随后用去离子水清洗掉残留的戊二醛，氮气吹干；
B、将所要检测的肿瘤标志物的相应的抗体稀释至100ug/ml后，滴在纳米线开窗口9，抗体结合过程至少4小时，依次用PBS溶液和去离子水漂洗去除残留的蛋白；
所述步骤(三)包括如下具体内容：
A、将PDMS预聚物和其激发剂按10:1的质量比充分混匀后浇铸在模具上，然后放置在低气压罐中抽净PDMS中的气泡，放置在75℃烘箱中40分钟即可成型，再用细针打孔；
B、对清洁的PDMS进行氧等离子体处理5min，立即与硅纳米集成电路芯片进行可逆性封接；
所述步骤(四)包括如下具体内容：
将透析膜做成一个三合一透析管13接入硅胶细软管11中，然后将三合一透析管放置在一个装有大量流动去离子水的容器中，形成可以达到去盐效果的透析装置20；
所述步骤(五)包括如下具体内容：
用硅胶细软管11依次连接透析装置20、蠕动泵19、硅纳米线场效应管22，形成一个检测通路；探针23连接硅纳米线集成电路芯片的四个电极；当启动通路后，检测液中的肿瘤标志物18将会与硅纳米线上修饰的抗体16特异性结合并固定在硅纳米线上，如图6所示带负电的抗原将会形成一个负电场效应，使硅纳米线内的正电荷聚集，从而改变纳米线内的电导，使得纳米线内的电流发生改变，从而形成生物信号投射到电脑上转换为电信号。
实施例2：甲胎蛋白(AFP)、癌胚抗原(CEA)的微量、即时检测：
检测方法包括如下步骤：
(1)针对所要检测的肿瘤标志物，利用APTES/戊二醛的化学键连接所需检测抗原的相关抗体，并将PDMS微流道与硅纳米线集成电路芯片进行可逆性封接，连接入整个检测系统中，形成一个流道通路；
(2)启动整个一体化装置，源、漏极设置的电压分别为2V、0V；顶层栅极的电压设置为2V，背层栅极设置的电压为-0.8V；蠕动泵为整个一体化设备的动力系统，流道通路中的流速均为80ul/min，通入检测液的时间为3min，检测液的总通量约240ul，血清样品首先通过透析设备，透过三合一透析管时，血清样品中的盐离子因透析管内外浓度差，绝大部分盐离子会进入管外的去离子水中，从而将血清达到去盐作用；
(3)进而经过去盐处理的血清进入硅纳米线场效应管时，在硅纳米线窗口，血清中的肿瘤标志物抗原与纳米线上修饰好的肿瘤标记物抗体特异性结合，因为抗原标志物在血清中带负电，结合在纳米线上时，能在纳米线周围形成一个电场，进而影响纳米线中的电流；
(4)探针台上的四根探针将这个电流的变化呈现在电脑上，形成检测结果。
图8、9为利用所述生物传感器装置对血清中AFP、CEA的检测结果，其中，肿瘤标志物AFP、CEA配成的肿瘤标志物浓度分别为100pg/ml、1ng/ml、10ng/ml、100ng/ml的检测液。
图8为检测AFP血清检测液的结果，图9为检测CEA血清检测液的结果。检测结果中的电流基线为通入BSA后的电流，从图中可知，各个电极施加电压后，电流趋近在一个定值，当通入BSA溶液后电流未发生明显变化，而当通入AFP或CEA血清检测液后，电流出现明显的增大，并维持在一定水平；并且随着肿瘤标志物浓度的升高，电流也会随之增大，由此可以说明本发明生物传感器能够克服血清内复杂物质的干扰和德拜屏蔽效应，从而实现血清肿瘤标志物的检测。
图10为我们对肿瘤标志物CEA标准品溶液(CEA溶于0.01×PBS)的检测，因为正常人体血清中含有微量的肿瘤标志物，会干扰我们对更低浓度肿瘤标志物血清检测液的检测，所以我们制成肿瘤标志物标准品溶液来测试我们这个硅纳米线场效应管生物传感器的检测极限。从图中的检测结果可知，本发明生物传感器的检测极限低至1fg/ml，这也达到了目前国际上已发表的关于硅纳米线效应管生物传感器文献的检测极限。
目前，本发明已经实现对临床上常见的一系列肿瘤标记物的检测，其中包括AFP、CEA、CA125、PSA、β2-MG、NES、SCC等，涉及到的疾病包括肝癌、胃癌、结直肠癌、乳腺癌、肺癌、子宫颈癌等一系列肿瘤。

Claims (7)

1.一种联合透析装置和硅纳米线场效应管的生物传感器，其特征在于，所述传感器包括透析装置(20)、硅纳米线场效应管(22)和信号输出电脑(24)，所述透析装置(20)通过细硅胶软管(11)与硅纳米线场效应管(22)连通；所述硅纳米线场效应管(22)通过探针(23)将信号传输到信号输出电脑(24)。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述透析装置(20)由置于去离子水(12)中的三合一透析管(13)组成。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述硅纳米线场效应管(22)包括硅纳米线集成电路芯片和PMDS微流管(10)；所述硅纳米线集成电路芯片包括背栅极(7)及平铺于背栅极(7)上方的绝缘硅片衬底(6)，所述绝缘硅片衬底(6)上设置有三个平行电极，分别为源极(1)、顶层栅极(2)和漏极(3)，所述源极(1)与漏极(3)在同一水平面，通过硅纳米线(5)相连；
所述绝缘硅片衬底(6)上以硅纳米线(5)为中心，两端分别连接源极(1)与漏极(3)形成一个电回流通路，硅纳米线(5)的上方隔一层氧化层(4)镀有顶层栅极(2)；
所述源极(1)、表面栅极(2)、漏极(3)外部均包裹钝化层(8)，仅裸露各电极、栅极与探针接触的端部及部分硅纳米线(5)；裸露部分硅纳米线形成硅纳米线开窗口(9)；
所述PDMS微流管(10)是覆盖于硅纳米线集成电路芯片上方的长方体，底面有120um深的沟道，在沟道两端打孔贯穿至上表面后，再在等离子体清洗机中将底面打上一层羟基，之后与修饰好抗体的硅纳米线集成电路芯片进行可逆性封接，从而形成一个包含纳米线在内的PDMS微流管。
4.一种联合透析装置和硅纳米线场效应管的生物传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(一)制作硅纳米线集成电路芯片；
(二)对硅纳米线表面进行修饰；
(三)制作PDMS微流管；
(四)制作透析装置；
(五)合成一体化的生物传感器。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(一)包括如下工序：
A、表层硅减薄：6寸SOI片包括表面的195nm厚的硅层、硅层下120nm厚的氧化硅层和600um厚的绝缘衬底层，首先清洗SOI硅片，在氧化炉中通过干氧—湿氧—干氧900-1100℃高温氧化7-10个小时将部分表层硅进行氧化；再用BOE漂洗去掉形成的氧化硅层，形成表层硅只有30nm的SOI片；
B、硅纳米线的制备：在SOI片的表面硅层匀一层AR80胶后，通过NSR 2205i12D光刻机曝光显影得到纳米线图形，用显影液洗掉图形外的胶后，利用RIE刻蚀机刻出硅纳米线(5)，刻蚀掉非硅纳米线区域的Si和SiO2，暴露出绝缘硅片衬底层(6)；
C、氧化层的构建：清洗SOI片上残留胶后，匀AZ5214胶，然后通过MA6紫外光刻机套刻方法在部分纳米线上形成氧化层图形，用显影液洗掉图形内的胶，然后利用ICPCVD方法在纳米线部分区域生长30-50nm厚的SiO2，形成氧化层(4)；
D、源极、漏极、双栅极图形的制备：清洗SOI片上残留胶后，匀AZ5214胶，利用MA6紫外光刻机套刻方法在特定位置制备源极、漏极、顶层栅极的图形，用显影液洗掉图形内的光刻胶后，利用磁控溅射FHR在SOI片表面依次沉积Ti/Au/Ti三层金属，厚度分别为5nm/10-100nm/5nm，最后剥离掉残余的胶及胶上的金属层后即可得到源极(1)、漏极(3)和顶层栅极(2)，再将SOI硅片反过来在背面利用磁控溅射FHR镀上背栅极(7)；
E、退火：将SOI片放置到快速退火炉进行退火，在退火炉充入氮气后，迅速升温至200℃维持30秒，然后升至330℃维持10秒，降温至常温，退火能构建SOI片上各电极金属层之间和源、漏极与硅纳米线之间良好的欧姆接触；
F、沉积钝化层：在SOI片表面匀一层AZ5214胶，利用MA6紫外光刻机套刻方法制备钝化层图形，用显影液洗掉图形外的胶，利用ICPCVD方法在SOI片表面沉积SiO2/SiNx形成钝化层(8)，厚度为100nm/160nm，然后利用丙酮超声剥离掉残留的光刻胶及胶上的钝化层，钝化层覆盖了除SOI片表面三个电极(源极、漏极和顶层栅极)与探针接触的端部和纳米线开窗口(9)外的全部SOI片表面；
所述步骤(二)包括如下具体内容：
A、Linker链的构建：将硅纳米线集成电路芯片表面清洁后，用等离子清洗机处理5min从而在SOI片表面形成一层羟基链，
随后放入10％APTES无水乙醇溶液中反应45min，然后用无水乙醇清洁掉残留的APTES，氮气吹干后于120℃加热1h，再放入2.5％戊二醛去离子水溶液中反应1小时，随后用去离子水清洗掉残留的戊二醛，氮气吹干；
B、将所要检测的肿瘤标志物的相应的抗体稀释至100ug/ml后，滴在纳米线开窗口(9)，抗体结合过程至少4小时，依次用PBS溶液和去离子水漂洗去除残留的蛋白；
所述步骤(三)包括如下具体内容：
A、将PDMS预聚物和其激发剂按10:1的质量比充分混匀后浇铸在模具上，然后放置在低气压罐中抽净PDMS中的气泡，放置在75℃烘箱中40分钟即可成型，再用细针打孔；
B、对清洁的PDMS进行氧等离子体处理5min，立即与硅纳米集成电路芯片进行可逆性封接；
所述步骤(四)包括如下具体内容：
将透析膜做成一个三合一透析管(13)接入硅胶细软管(11)中，然后将三合一透析管放置在一个装有大量流动去离子水的容器中，形成可以达到去盐效果的透析装置(20)；
所述步骤(五)包括如下具体内容：
用硅胶细软管(11)依次连接透析装置(20)、蠕动泵(19)、硅纳米线场效应管(22)，形成一个检测通路；探针(23)连接硅纳米线集成电路芯片的四个电极，将生物信号投射到电脑上转换为电信号。
6.一种利用权利要求1所述传感器检测血清肿瘤标志物的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)针对所要检测的肿瘤标志物，利用APTES/戊二醛的化学键连接所需检测抗原的相关抗体，并将PDMS微流道与硅纳米线集成电路芯片进行可逆性封接，连接入整个检测系统中，形成一个流道通路；
(2)启动整个一体化装置，源、漏极设置的电压分别为2V、0V；顶层栅极的电压设置为2V，背层栅极设置的电压为-0.8V；蠕动泵为整个一体化设备的动力系统，流道通路中的流速均为80ul/min，通入检测液的时间为3min，检测液的总通量约240ul，血清样品首先通过透析设备，透过三合一透析管时，血清样品中的盐离子因透析管内外浓度差，绝大部分盐离子会进入管外的去离子水中，从而将血清达到去盐作用；
(3)进而经过去盐处理的血清进入硅纳米线场效应管时，在硅纳米线窗口，血清中的肿瘤标志物抗原与纳米线上修饰好的肿瘤标记物抗体特异性结合，因为抗原标志物在血清中带负电，结合在纳米线上时，能在纳米线周围形成一个电场，进而影响纳米线中的电流；
(4)探针台上的四根探针将这个电流的变化呈现在电脑上。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述肿瘤标志物为癌胚抗原CEA、甲胎蛋白AFP、胰腺癌肿瘤标记物CA199、前列腺肿瘤标记物PSA中的一种；这些肿瘤标志物均为人体肿瘤标志物，检测时可人为添加到正常人血清中或直接检测相应的肿瘤患者的血清来证明这种生物传感器的检测能力。
CN201810818405.4A 2018-07-24 2018-07-24 一种联合透析装置和硅纳米线场效应管的生物传感器 Active CN108957007B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810818405.4A CN108957007B (zh) 2018-07-24 2018-07-24 一种联合透析装置和硅纳米线场效应管的生物传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810818405.4A CN108957007B (zh) 2018-07-24 2018-07-24 一种联合透析装置和硅纳米线场效应管的生物传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108957007A true CN108957007A (zh) 2018-12-07
CN108957007B CN108957007B (zh) 2021-08-17

Family

ID=64464116

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810818405.4A Active CN108957007B (zh) 2018-07-24 2018-07-24 一种联合透析装置和硅纳米线场效应管的生物传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108957007B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110018207A (zh) * 2019-05-10 2019-07-16 北方工业大学 生物分子检测方法及装置
CN111257316A (zh) * 2020-02-11 2020-06-09 军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所 一种便携式纳米检测仪
CN112986336A (zh) * 2021-05-12 2021-06-18 佛山微奥云生物技术有限公司 一种缓冲液及其应用
CN112986335A (zh) * 2021-05-12 2021-06-18 佛山微奥云生物技术有限公司 一种在芯片上固定高分子物质的工艺
WO2021128956A1 (zh) * 2019-12-26 2021-07-01 清华大学 纳米线生物传感器及其制备方法和应用
CN113351265A (zh) * 2021-05-26 2021-09-07 西安交通大学 一种基于微导线磁场驱动微流体磁混合的系统及加工方法

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2297383A (en) * 1994-11-11 1996-07-31 Imperial College Dialysis electrode device
CN1811398A (zh) * 2005-01-20 2006-08-02 三星电子株式会社 表面改性的fet－型生物传感器
CN102426154A (zh) * 2011-08-24 2012-04-25 同济大学 一种比色传感器的制备方法、由该方法制备的产品及其产品的应用
CN102435652A (zh) * 2011-09-08 2012-05-02 南开大学 一种检测甲醛气体酶生物传感器的制备方法
CN102435747A (zh) * 2011-10-26 2012-05-02 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 面向急性心肌梗死诊断的生物传感器及其制备方法
CN102435655A (zh) * 2011-09-05 2012-05-02 湖南大学 基于场效应晶体管的肿瘤诊断仪及其检测方法
KR20130101724A (ko) * 2012-03-06 2013-09-16 인텔렉추얼디스커버리 주식회사 실리콘 나노와이어 제조 방법 및 실리콘 나노와이어를 갖는 전자 소자
CN104838249A (zh) * 2012-10-16 2015-08-12 雅培制药有限公司 包括局部脱盐系统的生物传感器设备和方法
CN106353504A (zh) * 2015-07-15 2017-01-25 慧源生技有限公司 包含信号放大器的检测
WO2017098518A1 (en) * 2015-12-09 2017-06-15 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Method and system for sensing
CN107735685A (zh) * 2015-06-30 2018-02-23 Imec 非营利协会 传感器设备
CN107807239A (zh) * 2017-10-26 2018-03-16 无锡市人民医院 一种基于硅纳米带的高敏感性生物传感器制备及使用方法
CN108169485A (zh) * 2017-11-20 2018-06-15 无锡市人民医院 一种基于mos管的双栅极调控超高灵敏度生物传感器

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2297383A (en) * 1994-11-11 1996-07-31 Imperial College Dialysis electrode device
CN1811398A (zh) * 2005-01-20 2006-08-02 三星电子株式会社 表面改性的fet－型生物传感器
CN102426154A (zh) * 2011-08-24 2012-04-25 同济大学 一种比色传感器的制备方法、由该方法制备的产品及其产品的应用
CN102435655A (zh) * 2011-09-05 2012-05-02 湖南大学 基于场效应晶体管的肿瘤诊断仪及其检测方法
CN102435652A (zh) * 2011-09-08 2012-05-02 南开大学 一种检测甲醛气体酶生物传感器的制备方法
CN102435747A (zh) * 2011-10-26 2012-05-02 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 面向急性心肌梗死诊断的生物传感器及其制备方法
KR20130101724A (ko) * 2012-03-06 2013-09-16 인텔렉추얼디스커버리 주식회사 실리콘 나노와이어 제조 방법 및 실리콘 나노와이어를 갖는 전자 소자
CN104838249A (zh) * 2012-10-16 2015-08-12 雅培制药有限公司 包括局部脱盐系统的生物传感器设备和方法
CN107735685A (zh) * 2015-06-30 2018-02-23 Imec 非营利协会 传感器设备
CN106353504A (zh) * 2015-07-15 2017-01-25 慧源生技有限公司 包含信号放大器的检测
WO2017098518A1 (en) * 2015-12-09 2017-06-15 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Method and system for sensing
CN107807239A (zh) * 2017-10-26 2018-03-16 无锡市人民医院 一种基于硅纳米带的高敏感性生物传感器制备及使用方法
CN108169485A (zh) * 2017-11-20 2018-06-15 无锡市人民医院 一种基于mos管的双栅极调控超高灵敏度生物传感器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KIM,A等: "Direct label-free electrical immunodetection in human serum using a flow-through-apparatus approach with integrated field-effect transistors", 《BIOSENSORS & BIOELECTRONICS》 *
孟庆洋等: "硅纳米线场效应管生物传感器对蛋白质检测的研究进展", 《中国组织工程研究》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110018207A (zh) * 2019-05-10 2019-07-16 北方工业大学 生物分子检测方法及装置
WO2021128956A1 (zh) * 2019-12-26 2021-07-01 清华大学 纳米线生物传感器及其制备方法和应用
CN111257316A (zh) * 2020-02-11 2020-06-09 军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所 一种便携式纳米检测仪
CN112986336A (zh) * 2021-05-12 2021-06-18 佛山微奥云生物技术有限公司 一种缓冲液及其应用
CN112986335A (zh) * 2021-05-12 2021-06-18 佛山微奥云生物技术有限公司 一种在芯片上固定高分子物质的工艺
CN113351265A (zh) * 2021-05-26 2021-09-07 西安交通大学 一种基于微导线磁场驱动微流体磁混合的系统及加工方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108957007B (zh) 2021-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108957007A (zh) 一种联合透析装置和硅纳米线场效应管的生物传感器
US10935551B2 (en) Ultra-high sensitivity dual-gated biosensor based on MOS transistor
CN107807239B (zh) 一种基于硅纳米带的高敏感性生物传感器制备及使用方法
Kim et al. Direct label-free electrical immunodetection in human serum using a flow-through-apparatus approach with integrated field-effect transistors
Lee et al. Measurements of serum C-reactive protein levels in patients with gastric cancer and quantification using silicon nanowire arrays
CN101271114B (zh) 基于微间隙阵列电极的酶催化电导免疫传感器及其免疫检测方法
Ding et al. Nanogold-functionalized g-C3N4 nanohybrids for sensitive impedimetric immunoassay of prostate-specific antigen using enzymatic biocatalytic precipitation
Mavrič et al. Electrochemical biosensor based on TiO2 nanomaterials for cancer diagnostics
CN102435655A (zh) 基于场效应晶体管的肿瘤诊断仪及其检测方法
Ortega et al. EGFR detection in extracellular vesicles of breast cancer patients through immunosensor based on silica-chitosan nanoplatform
CN111122679B (zh) 一种dna生物传感器及其制备方法和应用
CN103048462A (zh) 基于电极阵列的多参数电化学免疫传感器及其制备方法
Jofre et al. Electrochemical microfluidic immunosensor based on TES-AuNPs@ Fe3O4 and CMK-8 for IgG anti-Toxocara canis determination
Jafari et al. Non-invasive bioassay of Cytokeratin Fragment 21.1 (Cyfra 21.1) protein in human saliva samples using immunoreaction method: An efficient platform for early-stage diagnosis of oral cancer based on biomedicine
Jeun et al. Self‐normalized detection of ANXA3 from untreated urine of prostate cancer patients without digital rectal examination
Chen et al. A new biosensor detection system to overcome the Debye screening effect: dialysis-silicon nanowire field effect transistor
CN105929153B (zh) 一种黄曲霉毒素b1金纳米井阵列免疫电极的制备方法
CN102914576B (zh) 用于无标记crp阻抗型免疫传感器的氧化还原探针的制备方法
US11536721B2 (en) Electrochemical immunosensors
Mohanty et al. Field effect transistor nanosensor for breast cancer diagnostics
Manga et al. Ultra-fast and sensitive silicon nanobelt field-effect transistor for high-throughput screening of alpha-fetoprotein
Chao et al. Applications of field effect transistor biosensors integrated in microfluidic chips
CN209446518U (zh) 二维材料异质结传感器
Shaikh et al. Label free Impedimetric Immunosensor for effective bladder Cancer detection in clinical urine samples
CN107356755A (zh) 幽门螺杆菌抗体金检测试剂盒

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant