CN109406601A - 一种二维材料异质结传感器 - Google Patents

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Abstract

一种二维材料异质结传感器，属于MEMS技术领域，器件结构由上到下依次为选择层、二硒化钨层、二硫化钼层和基底；二硒化钨层与二硫化钼层交叠形成异质结；异质结表面修饰有与被测肿瘤标记物相对应的抗体，采用牛血清蛋白填补异质结表面没有被抗体覆盖的位点，抗体和牛血清蛋白共同构成选择层，金属电极分别与二硫化钼层和二硒化钨层相连接，采用二硫化钼与二硒化钨形成的异质结作为传感器的核心敏感部分，利用其对蛋白分子敏感的特性检测标记物的浓度，本发明的传感器对于癌症的早期诊断具有重要意义。

Description

一种二维材料异质结传感器
技术领域
本发明涉及MEMS技术领域，特别涉及一种二维材料异质结传感器，采用二硫化钼和二硒化钨形成的异质结作为传感器的核心部分，利用其生化敏感特性检测标记物的浓度。
背景技术
我国每年因癌症死亡近300万人，并呈逐年递增趋势。癌症已成为我国导致死亡人数最多的疾病。癌症死亡率高的一个重要原因是早期诊断手段匮乏，大多数患者在早期难以被及时发现，耽误了最佳救治时间，极大增加了治疗难度，使许多原本可以治愈的患者丧失了生还的希望。因此癌症的早期诊断是关系到国计民生的重大问题。目前临床早期诊断的常用方法(核磁共振、正电子发射断层扫描、早期穿刺/组织切片、DNA测序等)仅在少数专业大型医院使用，仪器昂贵且庞大、操作复杂、成本高、样品(组织、血液)用量大，令患者不堪重负。
肿瘤标记物检测是一种有望实现低成本、易操作的癌症早期诊断方法。肿瘤标记物是由癌症肿瘤细胞本身、或者人体因肿瘤细胞而产生的过量蛋白。其本身对人体无害，但可作为判断人体是否患癌的重要参考。不同的癌症对应不同的肿瘤标记物，人体内某些种类肿瘤标记物的浓度升高，意味着患有某种癌症的可能性大大提高。为了尽早发现癌症，需要对极微量的肿瘤标记物进行准确区分和测量，通过检测多种不同标记物的浓度作为诊断参考。
随着微电子工艺的发展，一种基于微机电系统(MEMS)的微型生物传感器逐步发展。它的成本低、功耗极低、样品用量少、体积小，为实现一次性、便携式肿瘤标记物检测带来希望(携带方便，可随时随地快速检测；不需反复使用，避免交叉污染)，以期满足日常检测的需求。敏感材料是微型生物传感器的核心，也是现阶段此类传感器走向实用化的瓶颈。受敏感材料的限制，目前肿瘤标记物传感器的灵敏度等性能与临床需求仍有较大差距。因此目前急需一种新型的肿瘤标记物传感器，能够解决以上的问题。基于二维材料异质结的微纳生物传感器尚未见报道。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种二维材料异质结传感器，将二维材料异质结作为微型生物传感器的核心敏感元件，利用两种二维材料形成的异质结代替单一敏感材料，可获得高灵敏度的肿瘤标记物传感器。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种二维材料异质结传感器，器件结构由上到下依次为选择层1-1、二硒化钨层1-2、二硫化钼层1-3、基底1-4；二硒化钨层1-2与二硫化钼层1-3交叠形成异质结1-6；异质结1-6表面修饰有与被测肿瘤标记物相对应的抗体，采用牛血清蛋白填补异质结表面没有被抗体覆盖的位点，抗体和牛血清蛋白共同构成选择层1-1，金属电极1-5分别与二硫化钼层1-3和二硒化钨层1-2相连接。
所述二硒化钨层1-2为二维材料，即厚度方向仅有单层原子或少数几层原子，一般为1-10层。单层或少数几层原子的二硒化钨的材料特性与普通块体二硒化钨有显著差异。
所述二硫化钼层1-3为二维材料，即厚度方向仅有单层原子或少数几层原子，一般为1-10层。
所述金属电极(1-5)通过溅射、蒸镀或其它方法形成于基底上表面，金属电极(1-5)材料选用Au、Ag、Cu、Al、Pt中的任意一种，厚度为20-200纳米。
本发明的有益效果是：
(1)实现肿瘤标记物便携式检测
二维材料异质结传感器具有成本低、功耗低、样品用量少、体积小的优点，为实现一次性、便携式肿瘤标记物检测带来希望，以期满足日常检测的需求，解决目前癌症早期诊断技术存在的仪器庞大、操作复杂、成本高、样品用量大的问题。
(2)传感器灵敏度高
二维材料异质结传感器的灵敏度远高于单一二维材料传感器。因此采用二维材料异质结作为传感器核心敏感元件有利于检测到极低浓度的肿瘤标记物，可解决目前肿瘤标记物传感器的灵敏度仍不能满足临床需求的问题，对癌症的早期诊断具有重要意义。
(3)传感器具有优良的选择性
利用肿瘤标记物与抗体之间精准的匹配关系，并采用牛血清蛋白覆盖异质结修饰抗体之外的其余部分，能够保证异质结表面只吸附被测肿瘤标记物，阻止溶液中的其它蛋白分子直接与异质结表面接触，防止传感器对其它蛋白分子产生响应。因此可以准确辨别溶液中特定的肿瘤标记物，使传感器具有优良的选择性。
附图说明
图1为本发明的二维材料异质结传感器的侧视图，图中，1-1—选择层，1-2—二硒化钨层，1-3—二硫化钼层，1-4—基底，1-5金属电极，1-6异质结。
图2为本发明的二维材料异质结传感器的俯视图，图中，1-1—选择层，1-2—二硒化钨层，1-3—二硫化钼层，1-4—基底，1-5金属电极，1-6异质结。
图3为本发明的二维材料异质结传感器加工流程图。
图4为化学气相沉积法制备大面积二硫化钼的示意图。
图5为化学气相沉积法制备大面积二硒化钨的示意图。
图6为二硫化钼、二硒化钨、二硫化钼/二硒化钨异质结对同样浓度的肺癌肿瘤标记物蛋白的响应对比。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。
参照图1、图2，一种二维材料异质结传感器，器件结构由上到下依次为选择层1-1、二硒化钨层1-2、二硫化钼层1-3、基底1-4；二硒化钨层1-2与二硫化钼层1-3交叠形成异质结1-6；二异质结1-6表面修饰与被测肿瘤标记物相对应的抗体，金属电极1-5分别与二硫化钼层1-3和二硒化钨层1-2相连接。
所述二硒化钨层1-2为二维材料，即厚度方向仅有单层原子或少数几层原子，一般为1-10层。单层或少数几层原子的二硒化钨的材料特性与普通块体二硒化钨有显著差异。
所述二硫化钼层1-3为二维材料，即厚度方向仅有单层原子或少数几层原子，一般为1-10层。单层或少数几层原子的二硫化钼的材料特性与普通块体二硫化钼有显著差异。
采用二硫化钼和二硒化钨异质结代替单一敏感材料，作为传感器的核心敏感部件，利用其生化敏感的特性进行肿瘤标记物检测；二维材料异质结1-6表面修饰与被测肿瘤标记物相对应的抗体，采用牛血清蛋白填补异质结表面没有被抗体覆盖的位点。抗体和牛血清蛋白共同构成选择层(1-1)。
参照图6，实验结果表明二硫化钼/二硒化钨异质结传感器对肺癌肿瘤标记物的响应明显大于二硫化钼或二硒化钨传感器，表明异质结传感器更加灵敏。
参照图3，本发明二维材料异质结传感器具体加工与测试流程如下：
(一)二硫化钼制备，参照图4，
采用化学气相沉积法，以氩气为载气，高温、低压环境下在SiO2/Si基底表面生长大面积二硫化钼。首先将二硫化钼粉末与SiO2/Si基底放入石英炉中。将石英炉内的压强抽至5-10mTorr，向石英炉内通氩气，生长温度500-700℃。
二硫化钼生长完成后，将其图形化。首先在基底表面旋涂一层正性光刻胶(匀胶机转速1000-4000RPM，时间30-90秒)，在热板上90-120℃加热1-2分钟。通过曝光(1-2分钟)、后烘(90-120℃，2-3分钟)、显影(318显影液中浸泡1-2分钟)使其图形化。采用氩气等离子体干法刻蚀技术将未被光刻胶保护的二硫化钼去除(刻蚀时间1-5分钟)，实现二硫化钼图形化。用丙酮去除光刻胶。
(二)二硒化钨制备，参照图5
采用化学气相沉积法制备大面积二硒化钨。将WO3和Se粉末以及蓝宝石基底放入石英炉中。将石英炉内的压强抽至5-10mTorr，然后向炉内通氩气和氢气(80sccm/20sccm)，石英炉内压强保持1Torr，生长温度900-1000℃，生长时间10-20分钟。
二硒化钨生长完成后，将其图形化。通过曝光(1-2分钟)，后烘(90-120℃，2-3分钟)，与显影(318显影液中浸泡1-2分钟)使其图形化。采用氩气等离子体干法刻蚀技术将未被光刻胶保护的二硒化钨去除(刻蚀时间1-5分钟)，实现二硒化钨图形化。用丙酮去除光刻胶。
(三)二维材料异质结传感器加工
在二硒化钨表面旋涂一层PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，100℃加热1小时。将涂有PMMA的二硒化钨样品放入NaOH溶液中刻蚀1小时，使二硒化钨与蓝宝石基底分离。用去离子水将二硒化钨/PMMA洗净，转移至SiO2/Si基底表面。转移过程中通过微操作台精确控制二硫化钼与二硒化钨的相对位置(对准精度约1微米)，形成部分重叠。用丙酮将PMMA去除。在真空环境下300℃加热1小时，彻底去除二维材料表面的PMMA残留。
在基底表面旋涂一层负性光刻胶(匀胶机转速1000-4000RPM，时间30-90秒)，在热板上90-120℃加热1-2分钟。通过曝光(1-2分钟)、后烘(90-120℃，2-3分钟)、显影(RD6显影液中浸泡1-2分钟)使其图形化。采用溅射工艺生长10纳米钛和50-100纳米厚度的金。将样品浸泡在丙酮中，并辅助以超声振荡，目的在于去除光刻胶以及光刻胶表面附着的金属(剥离工艺)。通过剥离工艺实现金属层图形化，形成金属电极1-5。
(四)选择层加工
将传感器浸泡在0.1％浓度的多聚-L-赖氨酸溶液中2小时，目的在于增强抗体与二维材料表面的结合力。在4℃温度下，将传感器浸泡在6μg/ml的抗体溶液中6-8小时(抗体溶液选择α烯醇化酶、血管内皮生长因子、膜联蛋白A2)，使抗体分子固定在异质结表面。在室温下将传感器放入浓度为3％的牛血清蛋白溶液中浸泡5小时。牛血清蛋白用来覆盖异质结表面未被抗体修饰的区域，防止传感器工作过程中溶液中的其它分子直接吸附在异质结表面，使传感器产生不必要的响应，降低传感器的选择性。
(五)肿瘤标记物检测
将传感器浸没入被测溶液中。当异质结表面的抗体吸附相应的肿瘤标记物之后，会导致异质结的电学性能发生显著变化，具体表现为I-V曲线和转移特性曲线发生偏移，因此从电学性能的变化能够检测出被测溶液中肿瘤标记物的浓度。在实际测量之前，需要在几个浓度已知的肿瘤标记物的溶液中进行标定，测量结果用为标定。

Claims (4)

1.一种二维材料异质结传感器，其特征在于，器件结构由上到下依次为选择层(1-1)、二硒化钨层(1-2)、二硫化钼层(1-3)、基底(1-4)；二硒化钨层(1-2)与二硫化钼层(1-3)交叠形成异质结(1-6)；异质结(1-6)表面修饰有与被测肿瘤标记物相对应的抗体，采用牛血清蛋白填补异质结表面没有被抗体覆盖的位点，抗体和牛血清蛋白共同构成选择层(1-1)，金属电极(1-5)分别与二硫化钼层(1-3)和二硒化钨层(1-2)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种二维材料异质结传感器，其特征在于，所述二硒化钨层(1-2)为二维材料，即厚度方向仅有单层原子或少数几层原子，一般为1-10层。
3.根据权利要求1所述的一种二维材料异质结传感器，其特征在于，所述二硫化钼层(1-3)为二维材料，即厚度方向仅有单层原子或少数几层原子，一般为1-10层。
4.根据权利要求1所述的一种二维材料异质结传感器，其特征在于，所述金属电极(1-5)通过溅射、蒸镀或其它方法形成于基底上表面，金属电极(1-5)材料选用Au、Ag、Cu、Al、Pt中的任意一种，厚度为20-200纳米。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113410317A (zh) * 2021-06-22 2021-09-17 电子科技大学 一种具有表面等离激元的二维材料异质结光电探测器及其制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CN104807869A (zh) * 2015-05-18 2015-07-29 哈尔滨理工大学 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
CN104977347A (zh) * 2014-04-04 2015-10-14 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 基于石墨烯的化学或生物传感器及其制作方法
CN105651845A (zh) * 2015-12-28 2016-06-08 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种基于非共价修饰的石墨烯场效应管的肿瘤标志物检测传感器及其制备方法
WO2018045514A1 (zh) * 2016-09-07 2018-03-15 华为技术有限公司 生物传感器及其制作方法
CN209446518U (zh) * 2018-12-06 2019-09-27 清华大学 二维材料异质结传感器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CN104977347A (zh) * 2014-04-04 2015-10-14 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 基于石墨烯的化学或生物传感器及其制作方法
CN104807869A (zh) * 2015-05-18 2015-07-29 哈尔滨理工大学 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
CN105651845A (zh) * 2015-12-28 2016-06-08 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种基于非共价修饰的石墨烯场效应管的肿瘤标志物检测传感器及其制备方法
WO2018045514A1 (zh) * 2016-09-07 2018-03-15 华为技术有限公司 生物传感器及其制作方法
CN209446518U (zh) * 2018-12-06 2019-09-27 清华大学 二维材料异质结传感器

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113410317A (zh) * 2021-06-22 2021-09-17 电子科技大学 一种具有表面等离激元的二维材料异质结光电探测器及其制备方法

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