CN111999366A - 一种dna修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种DNA修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器，该传感器包括硅栅极(1)、二氧化硅层(2)、插指电极区域和抗生素检测探针；二氧化硅层(2)位于硅栅极(1)上方，插指电极区域位于二氧化硅层(2)上方，抗生素检测探针位于插指电极区域上方，抗生素检测探针与插指电极区域之间设有二硫化钼层(5)，作为半导体导电沟道，硅栅极(1)和插指电极区域与检测响应信号的半导体分析仪电连接。与现有技术相比，本发明具有高灵敏度、高检测速度、高选择性、低成本、便携等优点。

Description

一种DNA修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器
技术领域
本发明涉及化学生物传感器领域，具体涉及一种DNA修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器。
背景技术
现代农业、畜牧业以及医疗行业等对抗生素的过度使用使抗生素成为一类新型的环境污染物，对包括水体在内的生态环境和人体健康产生了威胁。掌握水体抗生素水平是环境监测的重要内容，然而传统检测手段多基于仪器分析法，包括液相色谱和气相色谱等，检测成本高、耗时长且不适用于原位检测，因而研究和开发能实现原位和实时的抗生素检测手段是水体环境监测的重要方向，对及时的污染预警和长期的环境分析具有重要意义。
场效应晶体管(FET)传感器是基于场效应晶体管器件工作机理，其半导体导电沟道材料在被测物影响下发生电导性能的改变，以电学信号的变化作为响应输出。以石墨烯为代表的二维纳米材料的发展使这类传感器的导电沟道材料发生革命性变化，传感器性能得到不断的发展和突破。然而石墨烯零带隙特性很大程度上制约了晶体管传感器的制备手段和电学性能。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高灵敏度、高检测速度、高选择性、低成本、便携的DNA修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
二维过渡金属硫化物作为新兴二维纳米材料在保证高载流子迁移率的性能基础上，其层厚相关的带隙结构进一步提高了晶体管器件电学性能，成为晶体管传感器更理想的半导体沟道材料，基于层状二硫化钼的场效应晶体管传感器是一种十分有发展潜力的适用于快速检测的传感器类型。通过导电沟道材料、检测探针结构的选择和设计，以及二者铆合手段的选择，可灵活用于不同对象的检测。这类传感器具有高灵敏度、高检测速度、高选择性、低成本、便携等优点，构思如下：
(1)以单面二氧化硅层为光刻基片，在Si/SiO2基片氧化层表面以激光光刻技术形成插指分布的源漏电极对；
(2)以插指电极对的空隙为沟道区域负载层状二硫化钼层沟道材料桥连相邻源极和漏极电极对；
(3)层状二硫化钼层半导体沟道表面溅射探针连接体纳米金层作为探针连接体；
(4)探针连接体纳米金层表面修饰结构包括卡那霉素适配体DNA链及其互补DNA链的复合结构双链DNA，作为卡那霉素的检测探针；
(5)传感器以背栅型场效应晶体管器件工作模式将源极、漏极和硅栅极(1)连接，具体方案如下：
一种DNA修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器，其特征在于，该传感器包括硅栅极、二氧化硅层、多个插指电极区域和多个抗生素检测探针；
所述的二氧化硅层位于硅栅极上方，所述的插指电极区域位于二氧化硅层上方，所述的抗生素检测探针位于插指电极区域上方，所述的抗生素检测探针与插指电极区域之间设有二硫化钼层，作为半导体导电沟道，所述的硅栅极和插指电极区域与检测响应信号的半导体分析仪电连接。二氧化硅层厚度为300nm。
进一步地，所述的插指电极区域包括插指形态分布的源极和/或漏极，相邻的源极和漏极组成一组电极对，插指电极宽l为2μm，相邻插指电极距离d为1.5μm。简单来说，可以认为该传感器在使用时由两个对接而成，其中一个的插指电极区域只有源极，而另一个插指电极区域只有漏极，两个传感器上的源极和漏极以插指形态分布。
进一步地，所述的二硫化钼层通过层状二硫化钼水相分散液滴涂在插指电极区域干燥后得到。
进一步地，所述的层状二硫化钼水相分散液的浓度为0.05mg/mL，干燥过程采用暖灯照射。二硫化钼水相分散液由锂离子插层法制备得到。
进一步地，所述的抗生素检测探针包括探针连接体纳米金层、适配体DNA链和互补DNA链，所述的探针连接体纳米金层位于二硫化钼层上方，所述的探针连接体纳米金层修饰有以碱基互补配对作用形成双链DNA复合结构，该复合结构包括适配体DNA链和互补DNA链。
进一步地，所述的探针连接体纳米金层通过溅射镀膜形成，溅射镀膜的时长控制在2s内。
进一步地，所述的适配体DNA链的核苷酸序列为5’-TGG GGG TTG AGG CTA AGCCGA-3’，所述的互补DNA链的核苷酸序列为5’-TCG GCT CCC CCA-3’。
进一步地，所述的适配体DNA链的DNA链的5’端修饰有巯基。
进一步地，所述的抗生素检测探针通过以下方法制得：将适配体DNA溶液在插指电极区域孵化12h至适配体DNA链通过金硫键成功修饰在探针连接体纳米金层表面，再将互补DNA链溶液在相同区域继续孵化12h至适配体DNA链和互补DNA链上的氢键通过碱基互补配对作用形成复合结构双链DNA，最终形成抗生素检测探针。
进一步地，所述的适配体DNA溶液和互补链DNA溶液为含有三(2-羧乙基)膦(TCEP)二硫键活化剂的PBS缓冲溶液，浓度均为100μM。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明基于场效应晶体管的工作原理，对检测对象的响应速度快；以二维二硫化钼为半导体沟道材料，环境敏感性高，传感器检测限低；以抗生素的核酸适配体与其互补链形成的复合结构双链DNA为检测探针，对卡那霉素分子的分辨率极高，传感器检测的选择性极高；
(2)本发明传感器检测能力与检测时间具有相关性，可在不同场景下通过控制检测时间调节检测限；
(3)本发明器件制备和运行成本低，具有便携性和易安装性。
附图说明
图1为本发明传感器结构示意图；
图2为本发明对不同浓度卡那霉素水样的响应信号图；
图3为本发明对不同浓度卡那霉素水样持续响应的信号变化对比和在不同检测时长下检测能力的对比；
图4为本发明对不同种类抗生素水样的连续响应信号图；
图5为本发明插指电极结构示意图；
图中标号所示：硅栅极1、二氧化硅层2、源极3、漏极4、二硫化钼层5、探针连接体纳米金6、适配体DNA链7、互补DNA链8。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
参照图1所示，DNA修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器，包括晶体管硅栅极1及其表面的二氧化硅层2的光刻基片，通过激光光刻技术在二氧化硅层2表面形成含插指区域的源极3和漏极4电极对，插指电极宽l为2μm，相邻插指电极距离d为1.5μm，插指电极区域沉积二硫化钼层5作为场效应晶体管的半导体导电沟道，在二硫化钼层5表面通过沉积探针连接体纳米金6，在探针连接体纳米金6上修饰卡那霉素适配体DNA链7，在适配体修饰区域进一步修饰卡那霉素适配体DNA的互补DNA链8，适配体DNA链7和互补DNA链8以碱基互补配对作用形成双链DNA复合结构形成卡那霉素探针层。该器件应用于水中卡那霉素的传感检测。
DNA修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器具体制作过程为：在插指电极区域滴加锂离子插层法制备的层状二硫化钼分散液(1μL，0.05mg/mL)，暖灯下快速干燥沉积层状二氧化硅层2，作为半导体沟道材料。以溅射镀膜仪在二氧化硅层2表面沉积探针连接体纳米金6连接体层。将卡那霉素适配体DNA链7(核苷酸序列为5’-TGG GGG TTG AGG CTAAGC CGA-3’)及其互补DNA链8(核苷酸序列为5’-TCG GCT CCC CCA-3’)均以100μM的浓度分散在TEPC的PBS缓冲液中，移取1μL适配体分散液滴涂至晶体管插指区域的沟道材料表面静置孵化，12h后移取1μL互补核酸链分散液滴涂至相同区域静置孵化，12h后用离子洗去表面未修饰的DNA和杂质并以氩气吹干，适配体以金硫键修饰在纳米金表面，互补链以碱基互补配对作用与适配体DNA形成复合结构双链DNA。
制备完成的传感器用以测定水体中卡那霉素的浓度。
1、传感器检测的工作过程为：将源极和漏极间的偏压设置为0.1V，监测两极之间的电流，以源漏极电流变化作为响应信号输出。卡那霉素水溶液样品滴加于插指区域时，卡那霉素分子与其适配体DNA结合同时置换出互补DNA链释放到液相中，由于带负电的DNA链减少以及适配体DNA链构型的变化，探针层与二硫化钼半导体沟道材料之间的静电作用发生变化，引起层状二硫化钼的半导体特性变化；沟道材料因此产生的电导性能的变化通过源漏极间电流变化输出，通过分析源漏极电流信号的相对变化确定水样中卡那霉素的浓度。
2、准确配制不同浓度的卡那霉素水溶液，浓度分别为10-9M、10-8M、10-7M、10-6M、10-5M、10-4M；将制备好的传感器源极和漏极接入半导体分析仪中并在两极间施加+0.1V的偏压，同时传感器的背栅极接地；依次在传感器插指区域按浓度从低到高滴加卡那霉素水样(1μL)，同时记录漏极电流的实时变化情况，以初始电流归一处理得到实时的归一化电流的实时响应曲线见图2。从图中可以看出，在滴加各浓度的抗生素溶液时，源漏极电流均出现降低，检出限低；电流的下降持续一段时间后稳定在一定水平上，响应过程可在数十秒内完成，检测速度快，且响应速度和信号变化量与抗生素浓度成正相关。
3、准确配制不同浓度的卡那霉素水溶液，浓度分别为10-9M、10-8M、10-7M、10-6M、10-5M、10-4M；将制备好的传感器源极和漏极接入半导体分析仪中并在两极间施加+0.1V的偏压，同时将传感器的背栅极接地；在传感器插指区域不含卡那霉素的纯缓冲液水样(1μL)同时通过半导体分析仪实时记录源漏极电流的变化情况，得到350s内归一化源漏极电流的时间分辨曲线；以卡那霉素浓度分别为10-9M、10-8M、10-7M、10-6M、10-5M、10-4M的水样重复实验，得到不通过卡那霉素浓度下传感器的实时信号响应曲线见图3(左)；统计不同检测时间点(20s、70s、130s、300s)输出信号数据得到表征检测敏感性的响应信号与抗生素浓度关系图3(右)。图3说明该传感器具有检测时长相关的抗生素检测能力，可通过调节检测时长调控卡那霉素检测限。
4、准确配制浓度为10-4M的链霉素、妥布霉素、阿莫西林、环丙沙星、氯霉素和卡那霉素溶液；将制备好的传感器源极和漏极接入半导体分析仪中并在两极间施加+0.1V的偏压，同时将传感器的背栅极接地；依次在传感器敏感材料负载区域滴加(1μL)链霉素、妥布霉素、阿莫西林、环丙沙星、氯霉素和卡那霉素溶液，同时通过半导体分析仪实时记录电流的变化情况，得到实时响应曲线见图4。图4为本发明对不同种类抗生素水样(依次为链霉素、妥布霉素、阿莫西林、环丙沙星、氯霉素和卡那霉素)的连续响应信号图(抗生素浓度均为10-4M)。从图中可以看出，传感器对水体中卡那霉素具有明显响应，而对其他抗生素分子包括链霉素、妥布霉素、阿莫西林、环丙沙星、氯霉素均没有显著响应，说明传感器对卡那霉素的选择性高，对水中卡那霉素的具有高识别能力。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种DNA修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器，其特征在于，该传感器包括硅栅极(1)、二氧化硅层(2)、多个插指电极区域和多个抗生素检测探针；
所述的二氧化硅层(2)位于硅栅极(1)上方，所述的插指电极区域位于二氧化硅层(2)上方，所述的抗生素检测探针位于插指电极区域上方，所述的抗生素检测探针与插指电极区域之间设有二硫化钼层(5)，作为半导体导电沟道，所述的硅栅极(1)和插指电极区域与检测响应信号的半导体分析仪电连接。
2.根据权利要求1所述的一种DNA修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器，其特征在于，所述的插指电极区域包括插指形态分布的源极(3)和/或漏极(4)，相邻的源极(3)和漏极(4)组成一组电极对，插指电极宽l为2μm，相邻插指电极距离d为1.5μm。
3.根据权利要求1所述的一种DNA修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器，其特征在于，所述的二硫化钼层(5)通过层状二硫化钼水相分散液滴涂在插指电极区域干燥后得到。
4.根据权利要求3所述的一种DNA修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器，其特征在于，所述的层状二硫化钼水相分散液的浓度为0.05mg/mL，干燥过程采用暖灯照射。
5.根据权利要求1所述的一种DNA修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器，其特征在于，所述的抗生素检测探针包括探针连接体纳米金层(6)、适配体DNA链(7)和互补DNA链(8)，所述的探针连接体纳米金层(6)位于二硫化钼层(5)上方，所述的探针连接体纳米金层(6)修饰有以碱基互补配对作用形成双链DNA复合结构，该复合结构包括适配体DNA链(7)和互补DNA链(8)。
6.根据权利要求5所述的一种DNA修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器，其特征在于，所述的探针连接体纳米金层(6)通过溅射镀膜形成，溅射镀膜的时长控制在2s内。
7.根据权利要求5所述的一种DNA修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器，其特征在于，所述的适配体DNA链(7)的核苷酸序列为5’-TGG GGG TTG AGG CTA AGC CGA-3’，所述的互补DNA链(8)的核苷酸序列为5’-TCG GCT CCC CCA-3’。
8.根据权利要求7所述的一种DNA修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器，其特征在于，所述的适配体DNA链(7)的DNA链的5’端修饰有巯基。
9.根据权利要求5所述的一种DNA修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器，其特征在于，所述的抗生素检测探针通过以下方法制得：将适配体DNA溶液在插指电极区域孵化12h至适配体DNA链(7)通过金硫键成功修饰在探针连接体纳米金层(6)表面，再将互补DNA链溶液在相同区域继续孵化12h至适配体DNA链(7)和互补DNA链(8)上的氢键通过碱基互补配对作用形成复合结构双链DNA，最终形成抗生素检测探针。
10.根据权利要求9所述的一种DNA修饰的二硫化钼场效应晶体管抗生素传感器，其特征在于，所述的适配体DNA溶液和互补链DNA溶液为含有三(2-羧乙基)膦(TCEP)二硫键活化剂的PBS缓冲溶液，浓度均为100μM。
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