CN109211993A - 基于石墨烯霍尔效应的dna传感器和检测方法 - Google Patents

基于石墨烯霍尔效应的dna传感器和检测方法 Download PDF

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江南
吴冬芹
李小晴
叶辰
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Abstract

本发明涉及基于石墨烯霍尔效应的DNA传感器和检测方法。具体地，本发明公开了一种DNA传感器，所述传感器包含绝缘基板和固定于所述绝缘基板上的石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜具有如下特征：1)所述石墨烯薄膜的表面粗糙度小于1.5nm；2)所述石墨烯薄膜的方块电阻小于1000Ω/sq；3)所述石墨烯薄膜的迁移率大于2000cm2/V·s。本发明还公开了基于所述传感器可实现无需标记、快速检测、检出限高达10‑12M且不受德拜长度影响的对DNA的检测方法。

Description

基于石墨烯霍尔效应的DNA传感器和检测方法
技术领域
本发明涉及石墨烯DNA传感器测量技术领域，具体地涉及基于石墨烯霍尔效应的DNA传感器和检测方法。
背景技术
石墨烯，作为一种单原子层的二维材料，具有众多优异的性能，如：超高的电子迁移率、大的比表面积和优异的机械性能且具有生物兼容性等，由于石墨烯特殊的电学和形态，使得其载子传输非常容易受到外界环境的影响，单个分子吸附在表面，都能改变石墨烯的电性，使石墨烯在传感器领域具有广阔的应用前景。其中，用于在生物传感器领域检测葡萄糖、蛋白质、多巴胺和DNA。作为携带遗传信息的DNA分子，如果发生突变有可能导致细胞癌变，因此对DNA分子的特异性识别对于一些遗传疾病的早期诊断非常必要。
目前，在DNA检测方面，有荧光检测法、电化学检测法、场效应晶体管检测法。荧光检测法是利用石墨烯能猝灭荧光的特性来检测DNA序列，这种检测方法不仅检测的样本有限，而且需要荧光标记，在检测灵敏度方面仍存在一定的局限性。在利用石墨烯的电学性能检测方面，其检测原理都是以电性变化为主，包含电压/电流改变，或是测其电阻、电导、电容、阻抗等。器件制备过程需要经过微纳加工工艺，且电化学方法的检出限非常低，往往只有10-7M的量级。而采用晶体管对DNA进行检测的器件，由于受到溶液德拜长度的影响，检测灵敏度和检出限均受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供基于石墨烯霍尔效应的DNA传感器和一种基于所述传感器的无需标记、可快速检测、检出限高达10-12M且不受德拜长度影响的检测方法。
本发明的第一方面，提供了一种基于石墨烯霍尔效应的DNA传感器，所述传感器包含绝缘基板和固定于所述绝缘基板上的石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜具有如下特征：
1)所述石墨烯薄膜的表面粗糙度小于1.5nm；
2)所述石墨烯薄膜的方块电阻小于1000Ω/sq；
3)所述石墨烯薄膜的迁移率大于1800cm2/V·s。
在另一优选例中，所述石墨烯薄膜是如下制备的：在氢气气氛下，以气态碳源为石墨烯源材料，利用化学气相沉积法在第一基底表面生长石墨烯薄膜。
在另一优选例中，所述气态碳源选自下组：甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、或其组合。
在另一优选例中，在所述化学气相沉积法中，所述氢气和所述气态碳源的流量比为1-3：1-3。
在另一优选例中，在所述化学气相沉积法中，沉积温度为900-1200℃，较佳地1000-1100℃。
在另一优选例中，在所述化学气相沉积法中，在所述沉积温度下的沉积时间为10-60min，较佳地20-40min。
在另一优选例中，所述第一基底选自下组：铜箔、镍箔、铁箔。
在另一优选例中，所述第一基底的厚度为10-50μm。
在另一优选例中，所述石墨烯薄膜的厚度为0.1－10nm，较佳地0.3－5nm，更佳地1－3nm。
在另一优选例中，所述石墨烯薄膜是通过如下方法转移到所述绝缘基板表面的：
a-1)提供第一刻蚀液和第二刻蚀液；
a-2)在所述位于第一基底的石墨烯薄膜表面蒸镀保护层；
a-3)将步骤a-2)所得产物置于第一刻蚀液中，以刻蚀处理所述第一基底；
a-4)将步骤a-3)所得产物转移至绝缘基板；
a-5)接着将步骤a-4)所得产物置于第二刻蚀液中，以刻蚀处理所述保护层，从而将所述石墨烯薄膜转移到绝缘基板上。
在另一优选例中，所述第一刻蚀液选自下组：过硫酸铵溶液、氯化铁溶液、盐酸溶液、或其组合。
在另一优选例中，所述第二刻蚀液选自下组：碘化钾溶液、硝酸溶液、盐酸溶液、或其组合。
在另一优选例中，所述保护层选自下组：金膜、钯膜、铂膜、或其组合。
在另一优选例中，所述保护层的厚度为20-200nm，较佳地30-150nm，更佳地50-100nm。
在另一优选例中，所述石墨烯薄膜是如下固定于所述绝缘基板上的：在所述石墨烯薄膜与所述绝缘基板接触的边界上通过涂抹银胶实现所述石墨烯薄膜与所述绝缘基板的固定。
在另一优选例中，所述绝缘基板选自下组：表面含氧化层的硅片、聚四氟乙烯、聚对苯乙二酸乙二醇酯。
在另一优选例中，所述石墨烯薄膜的表面设置有用于霍尔测试的电极，优选地，电极的个数为四个。
在另一优选例中，所述电极由选自下组的材料制成：铜、银、铟。
在另一优选例中，所述电极使用硅胶进行保护。
在另一优选例中，在所述石墨烯薄膜的边界设置有一圈沟槽，用于盛载DNA溶液。
本发明的第二方面，提供了一种基于石墨烯霍尔效应的DNA的检测方法，所述方法包括如下步骤：
b-1)在本发明第一方面所述传感器的石墨烯薄膜表面修饰探针DNA分子；
b-2)使用待测DNA分子杂化所述探针DNA分子；
b-3)测量所述传感器的选自下组的参数：载流子浓度、方块电阻、载流子迁移率，将所述参数与标准曲线进行比对，得到待测DNA分子的浓度。
在另一优选例中，所述探针DNA分子与所述待测DNA分子完全互补。
在另一优选例中，所述探针DNA分子选自下组：5’TCG-TCG-TTT-TGT3’、5’CGT-TTT-GTC-GTT3’、5’AGG-TGG-CCG-CCC3’。
在另一优选例中，所述待测DNA分子选自下组：3’AGC-AGC-AAA-ACA5’、3’GCA-AAA-CAG-CAA5’、3’TCC-AGC-GGC-GGG5’。
在另一优选例中，步骤b-2)中，所述杂化的杂化时间为0.1-5h，较佳地0.3-4h，更佳地0.5-3.5h。
在另一优选例中，步骤b-3)中，所述比对是指将所述参数与“所述参数与待测DNA分子的浓度的标准曲线”进行比对。
在另一优选例中，所述检测方法的检出限≤10-10M，较佳地≤10-11M，更佳地≤10- 12M。
本发明的第三方面，提供了一种装置，所述装置包含本发明第一方面所述传感器。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1为实施例1步骤(2)中转移至绝缘基板上的石墨烯薄膜的拉曼图。
图2为实施例1步骤(2)中转移至绝缘基板上的石墨烯薄膜的原子力显微镜图。
图3为实施例1步骤(3)所得石墨烯霍尔器件(即DNA传感器1)和步骤(4)的霍尔效应测试图。
图4为实施例1步骤(4)所得载流子浓度随DNA浓度变化关系图，即所得标准曲线。
具体实施方式
本发明人经过长期而深入的研究，通过采用化学气相沉积法结合金膜转移法制备得到一种基于石墨烯霍尔效应的DNA传感器，基于所述传感器可实现无需标记、快速检测、检出限高达10-12M且不受德拜长度影响的对DNA的检测方法。在此基础上，发明人完成了本发明。
基于石墨烯霍尔效应的DNA传感器
本发明提供了一种基于石墨烯霍尔效应的DNA传感器，所述传感器包含绝缘基板和固定于所述绝缘基板上的石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜具有如下特征：
1)所述石墨烯薄膜的表面粗糙度小于1.5nm；
2)所述石墨烯薄膜的方块电阻小于1000Ω/sq；
3)所述石墨烯薄膜的迁移率大于2000cm2/V·s。
在本发明中，所述石墨烯薄膜是如下制备的：在氢气气氛下，以气态碳源为石墨烯源材料，利用化学气相沉积法在第一基底表面生长石墨烯薄膜。
在另一优选例中，所述气态碳源包括(但并不限于)下组：甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、或其组合。
在另一优选例中，在所述化学气相沉积法中，所述氢气和所述气态碳源的流量比为1-3：1-3。
在另一优选例中，在所述化学气相沉积法中，沉积温度为900-1200℃，较佳地1000-1100℃。
在另一优选例中，在所述化学气相沉积法中，在所述沉积温度下的沉积时间为10-60min，较佳地20-40min。
在另一优选例中，所述第一基底包括(但并不限于)下组：铜箔、镍箔、铁箔。
在另一优选例中，所述第一基底的厚度为10-50μm。
在另一优选例中，所述石墨烯薄膜的厚度为0.1－10nm，较佳地0.3－5nm，更佳地1－3nm。
在本发明中，所述石墨烯薄膜是通过如下方法转移到所述绝缘基板表面的：
a-1)提供第一刻蚀液和第二刻蚀液；
a-2)在所述位于第一基底的石墨烯薄膜表面蒸镀保护层；
a-3)将步骤a-2)所得产物置于第一刻蚀液中，以刻蚀处理所述第一基底；
a-4)将步骤a-3)所得产物转移至绝缘基板；
a-5)接着将步骤a-4)所得产物置于第二刻蚀液中，以刻蚀处理所述保护层，从而将所述石墨烯薄膜转移到绝缘基板上。
在另一优选例中，所述第一刻蚀液包括(但并不限于)下组：过硫酸铵溶液、氯化铁溶液、盐酸溶液、或其组合。
在另一优选例中，所述第二刻蚀液包括(但并不限于)下组：碘化钾溶液、硝酸溶液、盐酸溶液、或其组合。
在另一优选例中，所述保护层包括(但并不限于)下组：金膜、钯膜、铂膜、或其组合。
在另一优选例中，所述保护层的厚度为20-200nm，较佳地30-150nm，更佳地50-100nm。
在本发明中，所述石墨烯薄膜是如下固定于所述绝缘基板上的：在所述石墨烯薄膜与所述绝缘基板接触的边界上通过涂抹银胶实现所述石墨烯薄膜与所述绝缘基板的固定。
在另一优选例中，所述绝缘基板包括(但并不限于)下组：表面含氧化层的硅片、聚四氟乙烯、聚对苯乙二酸乙二醇酯。
在本发明中，所述石墨烯薄膜的表面设置有用于霍尔测试的电极，优选地，电极的个数为四个。
在另一优选例中，所述电极由包括(但并不限于)下组的材料制成：铜、银、铟。
在另一优选例中，所述电极使用硅胶进行保护。
在另一优选例中，在所述石墨烯薄膜的边界设置有一圈沟槽，用于盛载DNA溶液。
在本发明中，发明人充分利用化学气相沉积法和金膜转移法制备出的高质量单层石墨烯薄膜，利用其良好的导电特性制备传感器，不仅制备过程简单，成本低，而且对检测分子无需标记，能够实现快速检测，灵敏度极高，检出限为10-12M。
检测方法
本发明还提供了一种基于石墨烯霍尔效应的DNA的检测方法，所述方法包括如下步骤：
b-1)在所述传感器的石墨烯薄膜表面修饰探针DNA分子；
b-2)使用待测DNA分子杂化所述探针DNA分子；
b-3)测量所述传感器的选自下组的参数：载流子浓度、方块电阻、载流子迁移率，将所述参数与标准曲线进行比对，得到待测DNA分子的浓度。
在本发明中，所述探针DNA分子与所述待测DNA分子完全互补。
在另一优选例中，所述探针DNA分子包括(但并不限于)下组：5’TCG-TCG-TTT-TGT3’、5’CGT-TTT-GTC-GTT3’、5’AGG-TGG-CCG-CCC3’。
在另一优选例中，所述待测DNA分子包括(但并不限于)下组：3’AGC-AGC-AAA-ACA5’、3’GCA-AAA-CAG-CAA5’、3’TCC-AGC-GGC-GGG5’。
在本发明中，步骤b-2)中，所述杂化的杂化时间为0.1-5h，较佳地0.3-4h，更佳地0.5-3.5h。
在另一优选例中，步骤b-3)中，所述比对是指将所述参数与“所述参数与待测DNA分子的浓度的标准曲线”进行比对。
在本发明中，所述检测方法的检出限≤10-10M，较佳地≤10-11M，更佳地≤10-12M。
应理解，石墨烯薄膜表面吸附了DNA分子后，石墨烯薄膜的方阻、载流子浓度和迁移率的变化与目标DNA分子的浓度呈线性关系，本方法可实现无需标记物、高灵敏度、反应快、再现性高的DNA检测目的。
本发明还提供了一种装置，所述装置包含所述传感器。
与现有技术相比，本发明具有以下主要优点：
(1)所述检测方法可无需标记、快速检测、检出限高达10-12M且不受德拜长度影响的对DNA进行检测。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。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。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例1基于石墨烯霍尔效应的DNA传感器1和DNA检测的标准曲线的建立
1)利用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜
将25μm厚的铜箔分别用丙酮和酒精清洗，去除表面的杂质，用氮气吹干后放入管式炉里升温至1050℃，并在此温度保温30分钟，整个过程在氢气保护气氛中，再通入甲烷，氢气与甲烷比例为1:1。在此条件下生长石墨烯30分钟，结束之后关掉气体，降温至室温。
(2)金膜保护的湿法转移
在生长石墨烯的铜箔表面利用热蒸镀一层70nm厚的金膜作为保护层，再放到0.1M的过硫酸铵溶液中，将铜箔完全刻蚀，刻蚀后用去离子水清洗金/石墨烯薄膜，之后再转移至绝缘基板，60℃烘干30分钟，之后用金的刻蚀液(如碘化钾溶液)去除石墨烯上面的金保护层，得到在绝缘基板上的石墨烯薄膜。
(3)DNA传感器的制备
将石墨烯转移至绝缘基板之后，将银胶涂抹至石墨烯边界，制作用于霍尔测试的四个电极，利用3140硅胶保护四个电极，并在石墨烯边界形成一圈沟槽，用于盛载DNA溶液，得到DNA传感器1。
(4)DNA检测过程
将探针DNA分子通过物理吸附在石墨烯表面，静置16个小时后用PBS缓冲液洗掉没有吸附的DNA分子，再依次将1pM、10pM、100pM、1nM、10nM不同浓度的目标DNA分子与探针DNA分子杂化，每个浓度的杂化时间为3小时，在滴下一个浓度之前都用PBS溶液清洗石墨烯表面，以除去没有吸附或杂化完全的DNA分子。稳定后，通过霍尔效应测量器件的方块电阻、载流子浓度、载流子迁移率等参数，作标准曲线，以此鉴定目标DNA分子的浓度。
图1为实施例1步骤(2)中转移至绝缘基板上的石墨烯薄膜的拉曼图。
从图1可以看出：1350cm-1处为石墨烯的D峰，1600cm-1处为石墨烯的G峰，2700cm-1处为石墨烯的2D峰，其中D峰非常微弱，2D峰和G峰的比值大于1，表明石墨烯缺陷少，质量高。
图2为实施例1步骤(2)中转移至绝缘基板上的石墨烯薄膜的原子力显微镜图。
从图2可以看出：石墨烯表面清洁平整，几乎没有褶皱，且其表面粗糙度约为1.2nm。
此外，经检测，所述石墨烯薄膜的方块电阻约为800Ω/sq，迁移率约为2200cm2/V·s。
图3为实施例1步骤(3)所得石墨烯霍尔器件(即DNA传感器1)和步骤(4)的霍尔效应测试图。
图4为实施例1步骤(4)所得载流子浓度随DNA浓度变化关系图，即所得标准曲线。
从图4可以看出：干态和湿态情况下，器件的载流子浓度均随DNA浓度增加而增加，变化幅度高达1.2×1012/cm2，器件检测灵敏度可以低至1pM，在检测范围内载流子浓度与DNA浓度的对数有较好的线性关系。
综上，本发明利用化学气相沉积法和金膜转移法，能够高效地获得表面清洁的石墨烯薄膜。这一石墨烯薄膜自身性质优秀，不需要进行额外修饰，能够适应各种基底。制得的石墨烯基传感器通过霍尔效应对DNA进行检测，以方块电阻、载流子浓度和载流子迁移率为指标，能够避免因德拜长度而引起的灵敏度下降的问题，相比于通过电化学测试或场效应晶体管来检测DNA的器件，性能更加优秀，特别在灵敏度上有突出表现，有很好的应用前景。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯霍尔效应的DNA传感器，其特征在于，所述传感器包含绝缘基板和固定于所述绝缘基板上的石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜具有如下特征：
1)所述石墨烯薄膜的表面粗糙度小于1.5nm；
2)所述石墨烯薄膜的方块电阻小于1000Ω/sq；
3)所述石墨烯薄膜的迁移率大于1800cm2/V·s。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述石墨烯薄膜是如下制备的：在氢气气氛下，以气态碳源为石墨烯源材料，利用化学气相沉积法在第一基底表面生长石墨烯薄膜。
3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述石墨烯薄膜是通过如下方法转移到所述绝缘基板表面的：
a-1)提供第一刻蚀液和第二刻蚀液；
a-2)在所述位于第一基底的石墨烯薄膜表面蒸镀保护层；
a-3)将步骤a-2)所得产物置于第一刻蚀液中，以刻蚀处理所述第一基底；
a-4)将步骤a-3)所得产物转移至绝缘基板；
a-5)接着将步骤a-4)所得产物置于第二刻蚀液中，以刻蚀处理所述保护层，从而将所述石墨烯薄膜转移到绝缘基板上。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述石墨烯薄膜是如下固定于所述绝缘基板上的：在所述石墨烯薄膜与所述绝缘基板接触的边界上通过涂抹银胶实现所述石墨烯薄膜与所述绝缘基板的固定。
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述石墨烯薄膜的表面设置有用于霍尔测试的电极，优选地，电极的个数为四个。
6.一种基于石墨烯霍尔效应的DNA的检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
b-1)在权利要求1所述传感器的石墨烯薄膜表面修饰探针DNA分子；
b-2)使用待测DNA分子杂化所述探针DNA分子；
b-3)测量所述传感器的选自下组的参数：载流子浓度、方块电阻、载流子迁移率，将所述参数与标准曲线进行比对，得到待测DNA分子的浓度。
7.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述探针DNA分子与所述待测DNA分子完全互补。
8.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，步骤b-2)中，所述杂化的杂化时间为0.1-5h。
9.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述检测方法的检出限≤10-10M。
10.一种装置，其特征在于，所述装置包含权利要求1所述传感器。
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