CN113960128B - 基于钾离子适配体修饰的硅纳米线场效应管生物传感器 - Google Patents

基于钾离子适配体修饰的硅纳米线场效应管生物传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于钾离子适配体修饰的高灵敏硅纳米线场效应管生物传感器。该生物传感器采用与CMOS兼容硅纳米线场效应管，在硅纳米线表面修饰有适配体，其中适配体的3’端连接金纳米粒子，适配体在目标分子存在的情况下发生构象变化，缩短金纳米粒子与硅纳米线表面的距离，从而克服德拜屏蔽效应，提高灵敏度。本发明的生物传感器能够对血清钾离子进行快速、准确和高灵敏度的检测，而且该传感器具有免标记、成本低等优点。

Description

基于钾离子适配体修饰的硅纳米线场效应管生物传感器
技术领域
本发明涉及一种基于钾离子适配体修饰的高灵敏硅纳米线场效应管生物传感器，属于生物传感器技术领域。
背景技术
场效应晶体管(FET)作为一种获得规模应用的微电子敏感元件，具有高灵敏和免标记等优点，被越来越多地应用于临床检验诊断领域。研究者利用纳米材料具有生物相容性好、比表面积大、容易被化学修饰等优点，制备出纳米场效应生物传感器并成功用于蛋白质、DNA等生物分子的检测。相比其他纳米材料，一维纳米结构硅纳米线(SiNW)具有机械柔性好、与先进集成电路工艺相兼容、尺寸与被检测物的直径接近等特点，日益受到人们的重视。CMOS兼容“自上而下”法制备的SiNW-FET生物传感器，同时具备响应快、灵敏度高、特异性强和设备体积小等优点，能够对离子、核酸、蛋白质、病毒、细胞、糖类等生物和化学物质进行超高灵敏实时检测。
然而，SiNW-FET生物传感器在检测高离子强度溶液的样品时，由于电解液高离子强度导致探针分子与被分析物之间的相互作用部分被屏蔽，这种德拜屏蔽效应严重影响了SiNW-FET生物传感器对目标分子的检测灵敏度。高离子强度的全血、血清等生理溶液在进行检测前需经过处理，不可避免地会对生物分子的结构及构象造成破坏，从而直接影响了检测的准确性，所以克服德拜屏蔽效应是SiNW-FET生物传感器在临床直接检测全血等生理溶液的关键。
因此，发展高灵敏、高选择性、成本低、实时响应且可用于直接检测高离子强度溶液的SiNW-FET生物传感器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于钾离子适配体修饰的高灵敏硅纳米线场效应管生物传感器，能够对血清中的钾离子进行快速、准确和高灵敏度的检测，而且传感器具有微型化、制作成本低等优点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于钾离子适配体修饰的硅纳米线场效应管生物传感器，该生物传感器采用与CMOS兼容的硅纳米线场效应管，在硅纳米线表面修饰有适配体，适配体3’端接金纳米粒子(AuNPs)，适配体在目标分子存在的情况下发生构象变化，缩短AuNPs与硅纳米线(SiNW)表面的距离，达到克服德拜屏蔽效应、提高传感器灵敏度的目的。
所述适配体为钾离子单链适配体，且适配体的5’端和3’端分别修饰羧基和二硫键，钾离子存在时适配体发生构象变化。
在本发明的基于钾离子适配体修饰的硅纳米线场效应管生物传感器中，生物传感器的制备工艺包括以下六个步骤：
(1)通过热氧化作用(高温氧化炉)将绝缘硅片(SOI)厚度减为30-40nm。
(2)通过化学气相沉积(CVD)在减薄后的SOI硅片上依次生成SiO2/非晶硅(α-Si)/SiNx三层薄膜。通过涂胶、前烘、紫外曝光、后烘和显影等步骤，形成阵列图形。使用反应离子刻蚀技术刻蚀掉未被光刻胶覆盖的部分，将图形转移SiNx后，去除顶部的光刻胶，然后以条形SiNx为硬掩膜，刻蚀非晶硅(α-Si)薄膜形成矩形阵列。
(3)采用浓磷酸去除顶部SiNx硬掩膜，使用等离子增强化学气相沉积沉积SiNx薄膜，并通过“各向异性”干法刻蚀形成纳米尺度的侧墙(spacer)后，立即用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液选择性地去除中间非晶硅(a-Si)材料，只剩下纳米尺度的侧墙(spacer)阵列。然后利用纳米尺度侧墙(spacer)作为掩模，刻蚀底部的SiO2和单晶Si层。形成SiNW阵列后，采用热磷酸去除顶部纳米尺度的SiNx硬掩膜，并用稀释的氢氟酸(DHF)清洗30s，去除SiNW顶部的氧化层，得到均匀和一致性好的SiNW阵列。
(4)通过涂胶、前烘、曝光、后烘和显影等步骤，露出电极的图形，接着连续沉积金属Cr和Au薄膜。清洗后去除光刻胶与光刻胶顶部的金属后，与SiNW接触的金属电极则会被完整地保留下来。
(5)在形成Au电极后采用原子层沉积工艺沉积氧化铪(HfO2)材料作为SiNW生物传感器表面的绝缘层材料。HfO2相对介电常数约为28，远大于氧化硅的相对介电常数3.9，因此在相同厚度的情况下，HfO2材料的等效电容更大制备的SiNW传感器灵敏度更高。在远离SiNW位置的金属引线上的HfO2介质材料上开出方孔，用湿法腐蚀HfO2薄膜，将传感器件用金线键合后，完成器件制作。
(6)为控制进入传感区域溶液进样与出样，结合微流控芯片的进样、混合等功能模块，制备微流控芯片耦合场效应管传感器表面。
适配体修饰SiNW-FET生物传感器的工艺包括以下五个步骤：
①使用氧等离子体清洗SiNW表面2分钟，使其表面生成羟基(-OH)。
②将表面充满羟基的SiNW浸泡在含有APTMS(3-氨基丙基三甲氧基硅烷(0.1vol％))：PTMS(丙基三甲氧基硅烷(0.9vol％))体积浓度比为1∶9的乙醇溶液中20分钟，然后用乙醇冲洗，在干燥箱110℃下干燥30分钟，使APTMS和PTMS在SiNW表面产生氨基(-NH2)末端和形成Si-O-Si键。
③用含有10％PTMS的乙醇溶液浸泡形成Si-O-Si键的SiNW表面20分钟，然后用乙醇冲洗，在干燥箱110℃下干燥30分钟。防止SiNW表面Si-OH基团上的非特异性结合。
④配制4mM EDC(1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺)和2mM sulf-NHS(N-羟基硫代琥珀酰亚胺)pH＝7.410mM PBS的溶液，滴入pH＝7.410mM PBS含1uM钾离子适配体溶液，室温放置3h。然后将SiNW表面末端含有氨基的器件浸泡30分钟，氨基和适配体5’端羧基反应，取出器件，然后用去离子水清洗，除去未结合的适配体。
⑤将适配体修饰的SiNW-FET浸泡到80mM DTT(二硫苏糖醇)pH＝7.4 10mM PBS和AuNPs溶液中简单的混合后，在恒温摇床上培养2h，适配体3’端的二硫键在强还原剂下还原为巯基，巯基与金纳米粒子(AuNPs)结合。
在所述步骤(5)中，HfO2的厚度为5nm-20nm，当HfO2厚度过小时，SiNW-FET易被击穿；HfO2厚度过大时影响栅极电压对沟道的控制。所以HfO2的厚度优选为10nm。
在所述步骤④中，钾离子适配体的链长为7-20nm，当适配体链长过短时，目标分子存在情况下，适配体难以形成G-四分体构象变化；当适配体链长过长时，增加目标分子与SiNW-FET的距离，难以检测目标分子。所以碱基序列优选为5’-GGG TTA GGG TTA GGG TTAGGG-3’，5’端和3’端分别修饰羧基(-COOH)和二硫键(S-S)。
在所述步骤⑤中，AuNPs通过巯基与适配体连接，AuNPs直径为5-30nm，检测液存在目标分子时，适配体发生G-四分体变化，AuNPs靠近SiNW表面。AuNPs粒径过大时，适配体难以恢复。AuNPs粒径过小时，AuNPs对纳米线沟道电流变化不明显。所以AuNPs直径优选为10-15nm。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的生物传感器通过在SiNW-FET表面修饰钾离子适配体，能够对血清钾离子进行快速、准确和高灵敏度的检测。
2、通过电流的实时监测，反应了血清钾离子浓度，实现对血清钾离的直接检测。
3、通过不同缓冲液浓度的钾离子测试适配体修饰的SiNW-FET生物传感器的灵敏度。
附图说明
图1是本发明基于钾离子适配体修饰的SiNW-FET生物传感器的制备示意图。
图2是本发明基于钾离子适配体修饰的SiNW-FET生物传感器检测钾离子的示意图。
图3是本发明实施例中在金纳米粒子修饰的SiNW-FET生物传感器上分别滴加不同浓度K+溶液时，电流随着时间变化曲线。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本发明的生物传感器采用了与CMOS兼容的“自上而下”法制备硅纳米线场效应管，然后在硅纳米线表面修饰适配体。具体包括：选用厚度为200mm的SOI硅片，通过热氧化作用将其减薄；然后采用自对准侧墙技术形成SiNW图形，刻蚀SiNW阵列；然后制备SiNW生物传感器电极，采用原子层沉积工艺沉积形成绝缘介质隔离层；结合微流控芯片的进样、混合等功能模块，制备微流控芯片耦合场效应管传感器表面；用氧等离子体处理SiNW表面，使SiNW表面生成羟基；然后将表面充满羟基的SiNW浸泡在含有APTMS和PTMS的乙醇溶液中，使其形成氨基末端；将适配体滴入10mM PBS中含4mM EDC和2mM sulf-NHS的溶液中，然后将-NH2功能化表面的器件浸泡该溶液，使适配体的羧基与SiNW末端的氨基反应结合；将适配体修饰的SiNW浸泡到80mM DTT pH＝7.410mM PBS和AuNPs溶液中简单的混合后，在恒温摇床上培养2h，适配体3’端的二硫键在强还原剂下还原为巯基，巯基与AuNPs结合。
作为本发明的一个具体实施方式，适配体修饰SiNW-FET生物传感器的工艺包括生物传感器的制备和适配体修饰SiNW-FET生物传感器。
其中，生物传感器的制备工艺包括以下六个步骤：
(1)通过热氧化作用(高温氧化炉)将绝缘硅片(SOI)厚度消减为30-40mm。
(2)通过化学气相沉积(CVD)在减薄后的SOI硅片上依次生成SiO2/非晶硅(α-Si)/SiNx三层薄膜。通过涂胶、前烘、紫外曝光、后烘和显影等步骤，形成阵列图形。使用反应离子刻蚀技术刻蚀掉未被光刻胶覆盖的部分，将图形转移SiNx后，去除顶部的光刻胶，然后以条形SiNx为硬掩膜，刻蚀非晶硅(α-Si)薄膜形成矩形阵列。
(3)采用浓磷酸去除顶部SiNx硬掩膜，使用等离子增强化学气相沉积沉积SiNx薄膜，并通过“各向异性”干法刻蚀形成纳米尺度的侧墙(spacer)后，立即用四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液选择性地去除中间非晶硅(α-Si)材料，只剩下纳米尺度的侧墙(spacer)阵列。然后利用纳米尺度侧墙(spacer)作为掩模，刻蚀底部的SiO2和单晶Si层。形成SiNW阵列后，采用热磷酸去除顶部纳米尺度的SiNx硬掩膜，并用稀释的氢氟酸(DHF)清洗30s，去除SiNW顶部的氧化层，得到均匀和一致性好的SiNW阵列。
(4)通过涂胶、前烘、曝光、后烘和显影等步骤，露出电极的图形，接着连续沉积金属Cr和Au薄膜。清洗后去除光刻胶与光刻胶顶部的金属后，与SiNW接触的金属电极则会被完整地保留下来。
(5)在形成Au电极后采用原子层沉积工艺沉积10nm氧化铪(HfO2)材料作为SiNW生物传感器表面的绝缘层材料。HfO2相对介电常数约为28，远大于氧化硅的相对介电常数3.9，因此在相同厚度的情况下，HfO2材料的等效电容更大，制备的SiNW传感器灵敏度更高。在远离SiNW位置的金属引线上的HfO2介质材料上开出方孔，用湿法腐蚀HfO2薄膜，将传感器件用金线键合后，完成器件制作。
(6)为控制进入传感区域溶液进样与出样，结合微流控芯片的进样、混合等功能模块，制备微流控芯片耦合场效应管传感器表面。
适配体修饰SiNW-FET生物传感器的工艺包括以下五个步骤：
①使用氧等离子体处理SiNW表面2分钟，使其表面生成羟基(-OH)。
②将表面充满羟基的SiNW浸泡在含有APTMS(3-氨基丙基三甲氧基硅烷(0.1vol％))：PTMS(丙基三甲氧基硅烷(0.9vol％))体积浓度比为1∶9的乙醇溶液中20分钟，然后用乙醇冲洗，在干燥箱110℃下干燥30分钟，使APTMS和PTMS在SiNW表面产生氨基(-NH2)末端和形成Si-O-Si键。
③用含有10％PTMS的乙醇溶液浸泡形成Si-O-Si键的SiNW表面20分钟，然后用乙醇冲洗，在干燥箱110℃下干燥30分钟。防止SiNW表面Si-OH基团上的非特异性结合。
④配制4mM EDC(1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺)和2mM sulf-NHS(N-羟基硫代琥珀酰亚胺)pH＝7.4 10mM PBS的溶液，滴入pH＝7.410mM PBS含1uM钾离子适配体溶液，在室温下放置3h。然后将SiNW表面末端含有氨基的器件浸泡30分钟，氨基和适配体5’端羧基反应，取出器件，然后用去离子水清洗，除去未结合的适配体。
⑤将适配体修饰的SiNW-FET浸泡到80mM DTT(二硫苏糖醇)pH＝7.4 10mM PBS和AuNPs溶液中简单的混合后，在恒温摇床上培养2h，适配体3’端的二硫键在强还原剂下还原为巯基，巯基与AuNPs结合。
在使用该生物传感器时，将传感器置于血清生理溶液中，钾离子存在时，适配体折叠成G-四分体结构，金纳米粒子靠近SiNW表面，纳米线沟道电流放大，通过检测传感器电流变化可以检测血清钾离子的浓度变化。
实施例
采用以上方法制备图1所示适配体修饰的SiNW-FET生物传感器，其中适配体的长度在7.14nm，AuNPs直径为5-30nm。
配制1×10-2mM PBS、1×10-3mM PBS、1×10-4mM PBS溶液血清中钾离子，将1μL血清钾离子溶液滴加入传感器部位，使用半导体测试仪记录电学信号，对比不同离子强度环境下的转移特性曲线等电学信号相对变化量，适配体结构变化如图2所示(PowerPoint绘制)。
在金纳米粒子修饰的SiNW-FET生物传感器上分别滴加浓度为0.1mM K+、1mM K+、10mM K+的溶液时，随着时间变化分别增加了6.86×10-10A、3.15×10-7A、8.8×10-7A的电流(如图3所示)，结果表明，金纳米粒子修饰的SiNW-FET生物传感器灵敏度高、响应快速。

Claims (3)

1.一种基于钾离子适配体修饰的硅纳米线场效应管生物传感器，其特征在于，该生物传感器采用与CMOS兼容硅纳米线场效应管，在硅纳米线表面修饰有适配体，其中适配体的3’端连接金纳米粒子，适配体在目标分子存在的情况下发生构象变化，缩短金纳米粒子与硅纳米线表面的距离；
生物传感器的制备工艺包括以下六个步骤：
（1）通过热氧化作用将绝缘硅片厚度减薄为30-40 nm；
（2）通过化学气相沉积在减薄后的SOI硅片上依次生成SiO2/非晶硅/SiNx三层薄膜，通过涂胶、前烘、紫外曝光、后烘和显影，形成阵列图形；使用反应离子刻蚀技术刻蚀掉未被光刻胶覆盖的部分，将图形转移SiNx后，去除顶部的光刻胶，然后以条形SiNx为硬掩膜，刻蚀非晶硅薄膜形成矩形阵列；
（3）采用浓磷酸去除顶部SiNx硬掩膜，使用等离子增强化学气相沉积沉积SiNx薄膜，并通过“各向异性”干法刻蚀形成纳米尺度的侧墙后，立即用四甲基氢氧化铵溶液选择性地去除中间非晶硅材料，只剩下纳米尺度的侧墙阵列，然后利用纳米尺度的侧墙作为掩模，刻蚀底部的SiO2和单晶Si层，形成硅纳米线阵列后，采用热磷酸去除顶部纳米尺度的SiNx硬掩膜，并用稀释的氢氟酸清洗，去除硅纳米线顶部的氧化层，得到均匀和一致性好的硅纳米线阵列；
（4）通过涂胶、前烘、曝光、后烘和显影，露出电极的图形，接着连续沉积金属Cr和Au薄膜，清洗后去除光刻胶与光刻胶顶部的金属后，与硅纳米线接触的金属电极则会被完整地保留下来；
（5）在形成Au电极后采用原子层沉积工艺沉积氧化铪材料作为硅纳米线生物传感器表面的绝缘层材料；在远离硅纳米线位置的金属引线上的HfO2介质材料上开出方孔，用湿法腐蚀HfO2薄膜，将传感器件用金线键合后，完成器件制作；
（6）为控制进入传感区域溶液进样与出样，结合微流控芯片的进样、混合的功能模块，制备微流控芯片耦合场效应管传感器表面；
适配体修饰硅纳米线场效应管生物传感器的工艺包括以下五个步骤：
①使用氧等离子体清洗硅纳米线表面，使其表面生成羟基；
②将表面充满羟基的硅纳米线浸泡在含有APTMS:PTMS体积浓度比为1:9的乙醇溶液中20分钟，然后用乙醇冲洗，在干燥箱110℃下干燥30分钟，使APTMS和PTMS在硅纳米线表面产生氨基末端和形成Si-O-Si键；
③用含有10% PTMS的乙醇溶液浸泡形成Si-O-Si键的硅纳米线表面20分钟，然后用乙醇冲洗，在干燥箱110℃下干燥30分钟，防止硅纳米线表面Si-OH基团上的非特异性结合；
④配制4mM EDC和2mM sulf-NHS的pH=7.4，浓度为10 mM的PBS溶液，滴入含1uM钾离子适配体的pH=7.4，浓度为10mM的 PBS溶液，在室温下放置3h，然后将硅纳米线表面末端含有氨基的器件浸泡30分钟，氨基和适配体5’端羧基在偶联剂的作用下反应，取出器件，然后用去离子水清洗，除去未结合的适配体；所述钾离子适配体的碱基序列为5’-GGG TTA GGGTTA GGG TTA GGG-3’，5’端和3’端分别修饰羧基和二硫键；
⑤将适配体修饰的硅纳米线场效应管浸泡到80 mM DTT的pH=7.4，浓度为10 mM的PBS溶液和金纳米粒子溶液中简单的混合后，在恒温摇床上培养2h，适配体3’端的二硫键在强还原剂下还原为巯基，巯基与金纳米粒子结合。
2.根据权利要求1所述的基于钾离子适配体修饰的硅纳米线场效应管生物传感器，其特征在于，在所述步骤（5）中，HfO2的厚度为5 nm-20 nm。
3.根据权利要求1所述的基于钾离子适配体修饰的硅纳米线场效应管生物传感器，其特征在于，在所述步骤⑤中，金纳米粒子的直径为5-30nm。
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