CN113311047A - 一种纳米金颗粒修饰的伪mos生化分子传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体器件技术领域，具体为一种纳米金颗粒修饰的伪MOS生化分子传感器及其制备方法。本发明的伪MOS生化分子传感器包括衬底、氧化埋层、沟道、纳米金颗粒、生物分子或化学分子；衬底、氧化埋层和沟道共同组成伪MOS结构；纳米金颗粒通过电子束蒸发镀膜工艺修饰在伪MOS结构沟道表面，作为伪MOS结构沟道与生化分子或化学分子之间的“linker”，从而更好地固载生化分子，提高生化分子传感器的检测性能。本发明生化分子传感器可用于核酸、蛋白、酶等各种生物分子，以及无机小分子和有机小分子等的灵敏和超灵敏检测。

Description

一种纳米金颗粒修饰的伪MOS生化分子传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种伪MOS生化分子传感器及其制备方法。
背景技术
生化分子检测仪在基础研究、临床诊断、即时检测（POCT）、食品检验、环境保护等课题中均发挥着重要作用，数十年来其市场应用已经较为成熟。然而，随着社会的快速发展，传统的生化分子检测仪已经越来越难以满足简单、快速的检测需求和微型化、集成化的制造需要。近年来，研究者们逐渐将目光投入到开发基于金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的生物化学传感器，其敏感机理是荷电分子通过改变沟道载流子的迁移进而改变晶体管的电学特性。MOSFET用于制作生物化学传感器展现出独特的优势，包括：简单、快速的检测步骤，免标记的检测模式，低噪声和高响应的检测结果，以及易于微型化和集成化的加工工艺。
伪MOS是一种无需制作源极、漏极和顶栅极就可以展现出双极特性的绝缘层上硅（SOI）、绝缘层上锗（GeOI），氧化层上多晶硅等结构。其中，绝缘层上硅（SOI）结构已经被用来制备可以感应生物分子存在的生物传感器。在传感器的制备过程中，将SOI结构的表面Si膜功能化是一步重要的工艺步骤，其功能化效果直接影响到后续生物分子固载的稳定性和通量，进而决定了传感器的检测性能。目前对半导体Si膜表面的功能化方法主要是：首先通过O2等离子体轰击或者piranha溶液（H2SO4/H2O2混合溶液）浸泡使得Si膜表面携带羟基基团，然后通过羟基和硅烷基有机小分子如3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)之间的特异性反应使得Si膜表面携带氨基基团，最后通过氨基基团和生物分子特异性修饰基团进行反应偶联，以此将生物分子上修饰至伪MOS结构表面。然而这种表面功能化方法伴随着一些无法克服的劣势，包括操作复杂、耗时耗力、花费较高等明显缺点，更重要的是其功能化后的表面难以保持高度均匀性和一致性，从而影响到后续的生物分子固载，严重损害了生物传感器的检测性能。另外，这种功能化方法也无法完全与CMOS工艺相兼容，因此推高了制备成本，延长了制备时间。
发明内容
本发明的目的在于提出一种与CMOS工艺完全兼容的、检测性能优秀的伪MOS结构表面沟道具有功能化修饰的伪MOS生化分子传感器及其制备方法。
本发明提供的伪MOS生化分子传感器，包括衬底、氧化埋层（BOX）、沟道、纳米金颗粒、生物分子或化学分子等部分；衬底、氧化埋层（BOX）和沟道共同组成伪MOS结构；所述纳米金颗粒通过电子束蒸发镀膜工艺修饰在伪MOS结构沟道表面，作为伪MOS结构沟道与生化分子或化学分子之间的“linker”。以此实现简单、快速、均匀性好和一致性高的表面功能修饰，从而更好地固载生化分子，提高所制备生化分子传感器的检测性能。
本发明所述伪MOS结构包括绝缘层上硅（SOI）、绝缘层上锗（GeOI）、氧化层上多晶硅等多种结构。
本发明提出的伪MOS生化分子传感器，采用电子束蒸发镀膜的方法在无须任何前处理的沟道表面实现了均匀分布且尺寸极小的生长，且纳米金颗粒的尺寸可以根据不同的测试需要灵活控制，纳米金颗粒的尺寸可以根据需要生长为0.3nm至10nm之间。
本发明还提供上述伪MOS生化分子传感器的制备方法，具体步骤为：
(1)采用电子束蒸发镀膜工艺在准备好的伪MOS结构沟道表面生长纳米金颗粒；
(2)将生长纳米金颗粒的伪MOS结构快速热退火；
(3)用浸没法修饰生物探针分子或化学分子。
制备得到的伪MOS生化分子传感器，可通过浸没法捕获靶标生物分子等。
步骤（1）中，生长的纳米金颗粒的尺寸可以根据不同的测试需要灵活控制，具体地，纳米金颗粒的尺寸通过改变电子束蒸发镀膜时的蒸发速率、蒸发时间和最终厚度等参数进行控制。一般地，控制：蒸发速率在0.01-0.3Å/s之间变化，蒸发时间在10s到3h之间，最终厚度在0.3-10nm之间。根据需要，纳米金颗粒的尺寸可以为0.3nm至10nm之间。
步骤（2）中，退火时间为1min-30min，退火温度为100℃-300℃。
步骤（3）中，由纳米金颗粒捕获修饰或包含有硫醇基（-SH）或者氨基（-NH2）的生化分子，形成Au-S键或者Au-N键，实现生化分子的在沟道表面的修饰；孵育温度在4-37℃之间，孵育时间为12-96h。
修饰的生化分子会调制沟道载流子的迁移，从而改变伪MOS结构的电学参数，再由电学参数的改变得到生化靶标分子的含量信息。
本发明提供的基于电子束蒸发镀膜生长纳米金颗粒的伪MOS生化分子传感器，可以用于核酸、蛋白、酶等各种生物分子，以及无机小分子和有机小分子等的灵敏和超灵敏检测。
附图说明
图1为本发明的生化分子传感器的结构图示（以一种生物大分子的检测为例）。
图2为本发明的生化分子传感器的制备流程图示（以一种生物大分子的检测为例）。
图3为本发明的生化分子传感器对一种生物大分子检测的电学输出结果，其中，左图为伪MOS结构（a），生长纳米金（b），修饰生物探针分子（c）和捕获靶标生物分子（d）的阈值电压响应，右图为不同浓度靶标生物分子的阈值电压响应。
图4为本发明的生化分子传感器的结构图示（以一种化学小分子的检测为例）。
图5为本发明的生化分子传感器的制备流程图示（以一种化学小分子的检测为例）。
图6为本发明的生化分子传感器对一种化学小分子检测的电学输出结果，其中，左图为伪MOS结构（a），生长纳米金（b）和修饰化学分子（c）的阈值电压响应，右图为不同浓度化学分子的阈值电压响应。
具体实施方式
基于同一工作原理，器件的结构可以不同，生化分子的种类可以不同，具体实施方式体现不同实施例中。
实施例1（对应图1的器件结构、图2的制备流程和图3的检测结果）：
(1)在准备好的伪MOS结构表面生长一层均匀分布的纳米金颗粒，通过改变电子束蒸发镀膜时的蒸发速率、蒸发时间和最终厚度等参数决定纳米金颗粒的尺寸。蒸发速率在0.01-0.3Å/s之间变化，蒸发时间在10s到3h之间，最终厚度在0.3-10nm之间。
(2)将生长纳米金颗粒的伪MOS结构快速热退火，退火时间为1min-30min，退火温度为100℃-300℃。
(3)将快速热退火后的生长有纳米金颗粒的伪MOS结构浸没在含有核酸探针分子的溶液中，纳米金颗粒通过与核酸探针分子上修饰的或本身含有的硫醇基（-SH）或者氨基（-NH2）形成Au-S键或者Au-N键，从而实现核酸探针分子在沟道表面的修饰。孵育温度在4-37℃之间，孵育时间为12-96h。
(4)将上述所得伪MOS结构浸没在含有靶标核酸分子的待测样品中，使核酸探针分子识别靶标核酸分子并充分杂交。
(5)检测伪MOS结构、生长纳米金颗粒、修饰核酸探针分子和捕获靶标核酸分子步骤的电学曲线，提取阈值电压数值并进行分析。
实施例2（对应图4的器件结构、图5的制备流程和图6的检测结果）：
实施例2与实施例1类似，区别在于所检测靶标分子不同，所检测靶标分为化学分子，而非生物分子。因此，此实施例的工艺流程与实施例1类似，需将步骤（3）中的生物探针分子改变为化学分子，而且无需步骤（4）；步骤（5）中的修饰核酸探针分子和捕获靶标核酸分子改为化学分子。
分析实施例1的电学输出结果，本发明的生化分子传感器所包含的伪MOS结构、生长纳米金颗粒、修饰核酸探针分子和捕获靶标核酸分子步骤均展现出较大的阈值电压偏移，而且不同浓度的核酸分子所导致的阈值电压偏移量也不同，说明本发明的生化分子传感器对生物分子具有高灵敏度的响应。
分析实施例1的电学输出结果，本发明的生化分子传感器所包含的伪MOS结构、生长纳米金颗粒和化学分子步骤均展现出较大的阈值电压偏移，而且不同浓度的化学分子所导致的阈值电压偏移量也不同，说明本发明的生化分子传感器对化学分子具有高灵敏度的响应。

Claims (9)

1.一种基于纳米金颗粒修饰的伪MOS生化分子传感器，其特征在于，包括衬底、氧化埋层、沟道、纳米金颗粒、生物分子或化学分子等部分；衬底、氧化埋层和沟道共同组成伪MOS结构；所述纳米金颗粒通过电子束蒸发镀膜工艺修饰在伪MOS结构沟道表面，作为伪MOS结构沟道与生化分子或化学分子之间的“linker”。
2.根据权利要求1所述的伪MOS生化分子传感器，其特征在于，所述伪MOS结构包括绝缘层上硅、绝缘层上锗或氧化层上多晶硅。
3.根据权利要求1所述的伪MOS生化分子传感器，其特征在于，所述纳米金颗粒的尺寸为0.3nm至10nm之间。
4.如权利要求1-3之一所述的伪MOS生化分子传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
(1) 采用电子束蒸发镀膜工艺在伪MOS结构沟道表面生长纳米金颗粒；
(2)将生长纳米金颗粒的伪MOS结构快速热退火；
(3)用浸没法修饰生物探针分子或化学分子。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述纳米金颗粒的尺寸通过改变电子束蒸发镀膜时的蒸发速率、蒸发时间和最终厚度等参数进行控制。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，控制：蒸发速率为0.01-0.3Å/s，蒸发时间为10s到3h，最终厚度为0.3-10nm。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，退火时间为1min-30min，退火温度为100℃-300℃。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，由纳米金颗粒捕获修饰或包含有硫醇基（-SH）或者氨基（-NH2）的生化分子，形成Au-S键或者Au-N键，实现生化分子的在沟道表面的修饰；孵育温度在4-37℃之间，孵育时间为12-96h。
9.如权利要求1-3之一所述的生化分子传感器在检测核酸、蛋白、酶这些生物分子，以及无机小分子和有机小分子中的应用。
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