CN109975380A - 磁控石墨烯场效应管传感器及其制作、测量和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提出了磁控石墨烯场效应管传感器及其制作、测量和检测方法，将石墨烯转移到带有氧化铟锡电极的玻璃板上作为两个电极之间的通道；石墨烯薄膜表面粘有玻璃材质制成的反应腔，作为盛放电解液的样品池；将溶解在二甲基亚砜DMSO中的PBASE注入到样品池，在室温下保持设定时间，使PBASE与石墨烯完全反应，并将未反应的PBASE清除；将探针适配体引入MGFET中，并在室温下与PBASE一起温育设定时间，使探针适配体与PBASE充分反应，并将未反应的探针适配体清除；将磁性纳米颗粒与互补DNA的缀合物加入MGFET中设定时间，以使互补DNA与探针适配体完全结合。本公开磁控石墨烯场效应管传感器的电阻由作为背栅的磁场调制。其阻抗随着磁场强度的变化而变化，且呈现出了较好的灵敏度。
Description
技术领域
本公开涉及分析化学技术领域，特别是涉及磁控石墨烯场效应管传感器及其制作、测量和检测方法。
背景技术
目前，有多种生物传感器用于生物分子的检测，包括荧光生物传感器、电化学生物传感器和场效应晶体管生物传感器等。其中，场效应晶体管生物传感器由于其具有很高的灵敏度和特异性而引起了广泛的关注。
基于纳米材料的场效应晶体管已广泛用于生物传感器，包括一维的硅纳米线、碳纳米管和二维的石墨烯等。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的二维材料。由于其有高比表面积、高电传导性、室温下极好的电子迁移率，石墨烯这些独特的性质可用来提高传感器检测的灵敏度和选择性，因此石墨烯可以作为制备电化学传感器和生物传感器的一个理想材料。
在传统的石墨烯场效应管中，外部栅极电场在石墨烯薄膜和溶液电解质之间的界面处产生双导电层，栅极电极通过电解质对双导电层充电和放电，从而调制石墨烯场效应管的导电性。因此，石墨烯场效应管产生的双导电层可用电容模型进行解释，导电性与外部电场的强度有关。然而，电场增强时可能对生物样品具有损伤，同时对生物分子检测的灵敏度需要进一步提高。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开实施例子提供了磁控石墨烯场效应管传感器(MGFET：Graphene field-effect transistor)及其制作、测量和检测方法，磁控石墨烯场效应管的电阻由作为背部的磁场调制，其阻抗随着磁场强度的变化而变化，且呈现出了较好的灵敏度。
本公开实施例子提供了磁控石墨烯场效应管传感器的制作方法，包括：
将石墨烯转移到带有氧化铟锡电极的玻璃板上作为两个电极之间的通道；玻璃板上的两个铟锡电极分别作为场效应管的源极和漏极；
石墨烯薄膜表面粘有玻璃材质制成的反应腔，作为盛放电解液的样品池；
将溶解在二甲基亚砜(DMSO:Dimethyl sulfoxide)中的1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯(PBASE:pyrenebutanoic acid succinimidyl ester)注入到样品池，在室温下保持设定时间，使PBASE与石墨烯完全反应，并将未反应的PBASE清除；
将探针适配体引入MGFET中，并在室温下与PBASE一起温育设定时间，使探针适配体与PBASE充分反应，并将未反应的探针适配体清除；
将磁性纳米颗粒(MB)与互补DNA链(cDNA:complementary DNA)的缀合物加入MGFET中设定时间，以使互补DNA与探针链完全结合。
作为本申请进一步的技术方案，将石墨烯转移到带有氧化铟锡电极的玻璃板上的步骤中，通过湿法转移将化学气象沉积法生产的石墨烯转移到带有氧化铟锡电极的玻璃板上。
作为本申请进一步的技术方案，石墨烯薄膜表面粘有玻璃材质制成的反应腔的步骤中，采用将玻璃材质制成的反应腔用紫凝胶粘到石墨烯薄膜表面来实现。
作为本申请进一步的技术方案，将溶解在二甲基亚砜中的PBASE注入到样品池，在室温下保持12小时，使PBASE通过π-π堆积与石墨烯完全反应。
作为本申请进一步的技术方案，将未反应的PBASE清除时，依次用DMSO和去离子水洗涤MGFET以除去任何未反应的PBASE。
作为本申请进一步的技术方案，将探针适配体引入MGFET中，具体的，将2μM探针适配体引入MGFET中，并在室温下与PBASE一起温育4小时，使探针适配体与PBASE充分反应。
作为本申请进一步的技术方案，将未反应的探针适配体清除时，用0.2％PBS洗涤MGFET多次以除去任何未结合的探针适配体。
作为本申请进一步的技术方案，将磁性纳米颗粒与互补DNA的缀合物加入MGFET中设定时间，该设定时间为10分钟。
本公开实施例子还提供了磁控石墨烯场效应管传感器，所述传感器采用上述制作方法获得。
本公开实施例子还提供了磁控石墨烯场效应管传感器的测量方法，测量时，在磁控石墨烯场效应管传感器背面加入或去除永磁体，通过记录传感器的阻抗波动，实现对目标分子的测量。
本公开实施例子还提供了磁控石墨烯场效应管传感器的检测方法，检测时，磁性纳米颗粒被修饰到cDNA序列的末端；
通过磁性纳米颗粒和磁场之间的磁力，控制MB/cDNA耦合物和石墨烯薄膜之间的距离，从而调制传感器的双导电层，进而得到其电阻波动的结果。
本公开实施例子还提供了一种应用，所述磁控石墨烯场效应管传感器用于生物分子检测。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)本公开磁控石墨烯场效应管传感器的电阻由作为背部施加的磁场调制。石墨烯场效应管传感器的阻抗随着磁场强度的变化而变化，且呈现出了较好的灵敏度。
(2)本公开磁控石墨烯场效应管传感器在固定磁场强度下，测量由磁性纳米颗粒修饰的生物分子浓度，磁性纳米颗粒的浓度与生物分子浓度成正比，表现出了极高的灵敏度。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例子磁控石墨烯场效应管FET生物传感器制作过程示意图；
图2为本公开实施例子磁控石墨烯场效应管FET生物传感器检测原理示意图；
图3(a)-图3(b)为本公开实施例子不同磁场强度的阻抗波动的测量结果示意图；
图4为本公开实施例子固定磁场时对生物样品的检测结果示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本公开的一种典型的实施方式中，参见附图1所示，提供了磁控石墨烯场效应管传感器的制作方法，具体包括：
首先，通过湿法转移将化学气象沉积法生产的石墨烯转移到带有氧化铟锡电极的玻璃板上作为两个电极之间的通道，玻璃板上的两个铟锡电极分别作为场效应管的源极和漏极，玻璃材质制成的反应腔用紫凝胶粘到石墨烯薄膜表面作为盛放电解液的样品池。
其次，将溶解在DMSO中的PBASE注入到样品池，在室温下保持12小时及以上，使PBASE通过π-π堆积与石墨烯完全反应。然后依次用DMSO和去离子水洗涤MGFET以除去任何未反应的PBASE。
随后，将2μM探针适配体引入制作的MGFET样品池中，并在室温下与与石墨烯结合后的PBASE一起温育4小时，使探针适配体与PBASE充分反应，使适配体与PBASE完全结合。然后分别用0.2％磷酸盐缓冲溶液(PBS:
Phosphate-buffered saline)洗涤MGFET三次以除去任何未结合的探针适配体。
最后，将磁性纳米颗粒与互补DNA的缀合物(MB/cDNA)加入MGFET样品池中10分钟，以使互补DNA与探针适配体完全结合。
本公开的另一实施例子，公开了磁控石墨烯场效应管传感器的测量方法，再次参见附图2所示，测量时，在磁控石墨烯场效应管样品池背部加入或去除永磁体，通过数字万用表分别连接至传感器的源极和漏极，记录MGFET的阻抗波动，实现对样品池中目标分子的测量。
本公开的另一实施例子，公开了一种磁控石墨烯场效应管传感器，该传感器采用上述附图1所示的制作步骤获得。
本公开的又一实施例子，公开了石墨烯FET生物传感器检测方法，参见附图2所示，DNA链通常被看作弹性细杆模型，在磁场的作用下，调控MB/cDNA链弯曲，从而调控石墨烯表面的双导电层，进而调控其导电性。
为了更好的验证本申请实施例子中的磁控石墨烯场效应管传感器的测量效果，本申请做出了具体的实验，实验测量结果参见附图3(a)、附图3(b)及附图4所示。
具体的，附图3(a)、附图3(b)是不同磁场强度的阻抗波动的测量结果以及不同DNA浓度的阻抗波动的测量结果。实验结果表明，MGFET生物传感器阻抗波动随着磁场强度的增加而增强。主要分为三个阶段。第一阶段发生在小于100mT的磁场强度，在此期间MGFET阻抗随着磁场强度的增加而缓慢增加。第二阶段，在100mT至200mT，MGFET阻抗表现出快速增加。最后，在220mT以上的磁场强度下，MGFET阻抗趋于稳定。
附图4是不同MB/cDNA浓度的阻抗波动的测量结果。实验结果表明，MGFET中的阻抗变化与MB/cDNA浓度呈正相关。随着MB/cDNA浓度的增加，MGFET的阻抗波动呈现一个上升的趋势。MGFET检测的最低浓度限为1pM时，显示出对单链DNA检测的超高灵敏度。
在此，本公开提出的是基于石墨烯和磁性纳米颗粒的MGFET生物传感器来检测cDNA。在MGFET中，磁性纳米颗粒被修饰到cDNA序列的末端。通过磁性纳米颗粒和磁场之间的磁力，机械地控制MB/cDNA的耦合物和石墨烯膜之间的距离，从而调制MGFET的双导电层，进而得到其电阻波动的实验结果。
MGFET显示出对cDNA检测的超高灵敏度，最低浓度可测到1pM，远高于传统GFET。在本专利中，在磁场的作用下，DNA的机械参数转换为MGFET中的阻抗变化。
可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.磁控石墨烯场效应管传感器的制作方法，其特征是，包括：
将石墨烯转移到带有氧化铟锡电极的玻璃板上作为两个电极之间的通道；玻璃板上的两个铟锡电极分别作为场效应管的源极和漏极；
石墨烯薄膜表面粘有玻璃材质制成的反应腔，作为盛放电解液的样品池；
将溶解在二甲基亚砜DMSO中的PBASE注入到样品池，在室温下保持设定时间，使PBASE与石墨烯完全反应，并将未反应的PBASE清除；
将探针适配体引入MGFET中，并在室温下与PBASE一起温育设定时间，使探针适配体与PBASE充分反应，并将未反应的探针适配体清除；
将磁性纳米颗粒与互补DNA的缀合物加入MGFET中设定时间，以使互补DNA与探针适配体完全结合。
2.权利要求1所述的磁控石墨烯场效应管传感器的制作方法，其特征是，将石墨烯转移到带有氧化铟锡电极的玻璃板上的步骤中，通过湿法转移将化学气象沉积法生产的石墨烯转移到带有氧化铟锡电极的玻璃板上。
3.权利要求1所述的磁控石墨烯场效应管传感器的制作方法，其特征是，石墨烯薄膜表面粘有玻璃材质制成的反应腔的步骤中，采用将玻璃材质制成的反应腔用紫凝胶粘到石墨烯薄膜表面来实现。
4.权利要求1所述的磁控石墨烯场效应管传感器的制作方法，其特征是，将溶解在二甲基亚砜中的PBASE注入到样品池，在室温下保持12小时，使PBASE通过π-π堆积与石墨烯完全反应。
5.权利要求1所述的磁控石墨烯场效应管传感器的制作方法，其特征是，将未反应的PBASE清除时，依次用DMSO和去离子水洗涤MGFET以除去任何未反应的PBASE。
6.权利要求1所述的磁控石墨烯场效应管传感器的制作方法，其特征是，将探针适配体引入MGFET中，具体的，将2μM探针适配体引入MGFET中，并在室温下与PBASE一起温育4小时，使探针适配体与PBASE充分反应。
作为本申请进一步的技术方案，将未反应的探针适配体清除时，用0.2％PBS洗涤MGFET多次以除去任何未结合的探针适配体。
作为本申请进一步的技术方案，将磁性纳米颗粒与互补DNA的缀合物加入MGFET中设定时间，该设定时间为10分钟。
7.磁控石墨烯场效应管传感器，其特征是，所述传感器采用上述权利要求1-6任一所述的制作方法获得。
8.基于权利要求7所述的磁控石墨烯场效应管传感器的测量方法，其特征是，测量时，在磁控石墨烯场效应管传感器背面加入或去除永磁体，通过记录传感器的阻抗波动，实现对目标分子的测量。
9.基于权利要求7所述的磁控石墨烯场效应管传感器的检测方法，其特征是，检测时，磁性纳米颗粒被修饰到cDNA序列的末端；
通过磁性纳米颗粒和磁场之间的磁力，控制MB/cDNA耦合物和石墨烯薄膜之间的距离，从而调制传感器的双导电层，进而得到其电阻波动的结果。
10.一种应用，其特征是，权利要求7所述磁控石墨烯场效应管传感器用于生物分子检测。
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