CN114324537B - 一种光电集成生物传感器及生物分子检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物传感器技术领域，特别涉及一种光电集成生物传感器及生物分子检测设备。包括：生物传感模块，用于检测目标生物分子的浓度；流体控制模块，用于控制样品进出生物传感模块；光电场效应管阵列，用于根据光强度变化产生检测电流；其中，生物传感模块的第一侧面与流体控制模块连接形成样品检测腔；第二侧面与光电场效应管阵列连接，第二侧面与光电场效应管阵列之间设置有物理隔离区。该光电集成生物传感器通过光电流信号的变化来实现目标生物分子的检测。通过引入生物可调制纳米光学生物传感模块，将生物分子的检测区域独立于电学器件之外，解决了生物溶液与电学器件的直接接触的问题，提高了器件响应的稳定性。

Description

一种光电集成生物传感器及生物分子检测设备

技术领域

本发明涉及生物传感器技术领域，特别涉及一种光电集成生物传感器及生物分子检测设备。

背景技术

纳米场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)生物传感器由于其高度的微型化和一体化吸引了生命科学领域的广泛关注。由于纳米材料具有独特的理化性质，如表面效应、微尺寸效应量子效应和宏观量子隧道效应等，纳米场效应晶体管生物传感器具有灵敏度和选择性高、分析速度快免标记、操作简单、试剂消耗少等特点，非常适用于生物分子的检测，可以预见它在医学检测中会发挥越来越大的作用。

传统基于纳米材料的场效应管生物传感器通常是基于生物分子电荷表面感应，生物传感器的性能会严重受到目标分子缓冲液中离子浓度的制约。尤其是在高盐离子浓度下，固液界面的德拜屏蔽长度很小，生物分子的电荷就有可能被屏蔽而无法被感应。这种纯电学生物传感器在长时间修饰孵育期间仍然会降低检测的稳定性和灵敏度。这是由于电场的离子屏蔽以及水环境中器件的短路效应。具体而言，水溶液和其他非均相液体组分中的离子可能导致电路的短路与漏电流，而且还会影响电子生物分子和晶体管区域之间直接接触区域中电流分布，此外溶液的pH值以及水分子的掺杂效应都会对石墨烯的本征特性产生影响，从而影响生物传感器检测的准确性以及实用化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有基于纳米材料的场效应管生物传感器检测的稳定性差的问题。

为解决上述技术问题，第一方面，本申请实施例公开了一种光电集成生物传感器，包括：

生物传感模块，用于检测目标生物分子的浓度；

流体控制模块，用于控制样品进出所述生物传感模块；

光电场效应管阵列，用于根据光强度变化产生检测电流；

其中，所述生物传感模块包括相对的第一侧面和第二侧面，所述第一侧面与所述流体控制模块连接形成样品检测腔；所述第二侧面与所述光电场效应管阵列连接，所述第二侧面与所述光电场效应管阵列之间设置有物理隔离区。

进一步的，所述第二侧面的边缘与所述光电场效应管阵列连接；

所述第二侧面中间区域与所述光电场效应管阵列之间存在空气腔。

进一步的，所述生物传感模块包括第一衬底、第一表面处理层和目标分子检测结构；

所述第一表面处理层设置在所述第一衬底的表面；

所述目标分子检测结构设置在所述第一表面处理层上。

进一步的，所述目标分子检测结构包括透光微纳米结构层和捕获探针；

所述透光微纳米结构层设置在所述第一表面处理层上；

所述捕获探针设置在所述透光微纳米结构层上。

进一步的，所述第一表面处理层为硅烷化修饰层或嵌段共聚物层。

进一步的，所述流体控制模块包括顶面和侧面，所述侧面的一端与所述顶面连接构成盒装结构；

所述侧面的另一端与所述第一表面处理层连接；

所述顶面或所述侧面上设置有至少一组微流控通道，所述微流控通道包括进样口和出样口；

所述进样口用于使样品进入所述样品检测腔内；

所述出样口用于使样品排出所述样品检测腔。

进一步的，所述光电场效应管阵列包括第二衬底层、氧化层、第二表面处理层、电极和光电敏感层；

所述氧化层设置在所述第二衬底层上；

所述第二表面处理层设置在所述氧化层上；

所述电极设置在所述氧化层上；

所述光电敏感层设置在所述第二表面处理层上和至少部分所述电极上。

进一步的，所述第二表面处理层为所述氧化层经过表面处理剂处理后得到；

所述表面处理剂至少包括3-氨丙基三乙氧基硅烷和十八烷基三甲氧基硅烷。

进一步的，所述光电场效应管阵列还包括保护层，所述保护层设置在所述光电敏感层上，所述保护层用于保护所述光电敏感层。

第二方面，本申请实施例公开了一种生物分子检测设备，所述设备包括如上所述的光电集成生物传感器。

采用上述技术方案，本申请实施例所述的光电集成生物传感器及生物分子检测设备具有如下有益效果：

该光电集成生物传感器将生物传感模块、流体控制模块和光电场效应管阵列集成为一体，通过光电流信号的变化来实现目标生物分子的检测。通过引入生物可调制纳米光学生物传感模块，将生物分子的检测区域独立于电学器件之外，解决了生物溶液与电学器件的直接接触的问题，提高了器件响应的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种光电集成生物传感器结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种流体控制模块与生物传感模块集成结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种光电场效应管结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种不同第二表面处理层的光电场效应管的光电流响应变化示意图；

图5为本申请实施例提供的一种光电集成生物传感器结合目标生物分前后光电流响应变化示意图。

以下对附图作补充说明：

1-光电场效应管阵列；101-第二衬底；102-氧化层；103-电极；104-第二表面处理层；105-光电敏感层；106-保护层；2-生物传感模块；201-第一衬底；202-第一表面处理层；203-透光微纳米结构；204-捕获探针；3-流体控制模块；301-顶面；302-侧面；303-微流控通道；4-集成组件；401-物理隔离区。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

为了提高纳米材料的场效应管生物传感器检测性能的稳定性与灵敏度，本申请实施例通过引入一种具有非接触与干扰小等优势的光学生物传感原理，设计了一种新型二维纳米光电器件，并将该新型二维纳米光电器件与生物可调制纳米光学生物传感模块进行集成，通过光电流信号的变化来实现目标生物分子的检测。

图1为本申请实施例提供的一种光电集成生物传感器结构示意图，如图1所示，该光电集成生物传感器包括：流体控制模块3、生物传感模块2和光电场效应管阵列1。

流体控制模块3，用于控制样品进出生物传感模块2。生物传感模块2，用于检测目标生物分子的浓度。光电场效应管阵列1，用于根据光强度变化产生检测电流。生物传感模块2包括相对的第一侧面和第二侧面，第一侧面与流体控制模块3连接形成样品检测腔。第二侧面与光电场效应管阵列1连接，第二侧面与光电场效应管阵列1之间设置有物理隔离区401。

本申请实施例中，图2为本申请实施例提供的一种流体控制模块3与生物传感模块2集成结构示意图，如图2所示，流体控制模块3包括顶面301和侧面302，侧面302的上端与顶面301连接构成具有容腔的盒装结构。侧面302与顶面301的连接方式可以是粘接或者是一体成型。侧面302的下端与生物传感模块2的上表面连接在一起从而使容腔形成样品检测腔。流体控制模块3上设置有一组或者多组微流控通道303。当流体控制模块3上设置有多组微流控通道303时，盒装结构内包括多个独立的空间区域，即样品检测腔被划分为多个独立的样品检测室，每个样品检测室对应一组微流控通道303，从而实现检测多种目标生物分子的浓度。微流控通道303设置在流体控制模块3的侧面302的上部区域或者顶面301上。可选的，多组微流控通道303可同时设置在侧面302的上部区域或者顶面301上，也可以部分设置在侧面302的上部区域，部分设置在顶面301上。每组微流控通道303包括进样口和出样口。进样口用于使待检测样品进入样品检测腔内。出样口用于使完成检测的样品排出样品检测腔。

本申请实施例中，生物传感模块2为生物可调制纳米光学生物传感模块2。如图2所示，生物传感模块2包括第一衬底201、第一表面处理层202和目标分子检测结构。第一衬底201为透光透光衬底，可选的，第一衬底201为玻璃衬底。可选的，第一衬底201的厚度为100μm-1000μm。第一表面处理层202设置在第一衬底201的表面。第一表面处理层202为设置在第一衬底201表面的硅烷化修饰层或嵌段共聚物层。目标分子检测结构设置在第一表面处理层202上。目标分子检测结构包括透光微纳米结构203层和捕获探针204。透光微纳米结构203层可以包括多个透光微纳米结构203，透光微纳米结构203设置在第一表面处理层202上。可选的，透光微纳米结构203还可以是纳米金颗粒。金纳米颗粒在特定波长的光激发下会出现等离子体效应。捕获探针204设置在透光微纳米结构203层上。具体的，每个透光微纳米结构203上设置捕获探针204在。捕获探针204可以是抗体、适配体等生物分子。

作为一种可选的实施方式，生物可调制纳米光学生物传感模块2主要包括了厚度为百微米量级的玻璃衬底，玻璃衬底上有第一表面处理层202，第一表面处理层202上有制备的透光微纳米结构203，透光微纳米结构203上修饰有目标分子的捕获探针204。玻璃衬底上的第一表面处理层202可以是玻璃衬底表面的硅烷化修饰层，也可以是改变氧化硅衬底的表面能的嵌段共聚物，如Polystyrene-b-poly(2-vinylpyridine)。通过表面的硅烷化修饰层或者嵌段共聚物修饰可为纳米颗粒即透光微纳米结构203提供静电吸附层。透光微纳米结构203可以通过静电吸附或者微纳米加工等方式制备在第一表面处理层202上面。通过为纳米结构增加捕获探针204的修饰位点，从而提升生物传感器的性能。捕获探针204可通过共价化学键修饰或者静电吸附等作用修饰在透光微纳米结构203上面。流体控制模块3固定在生物传感模块2上。可选的，可选择医用双面胶、热键合或者化学键结合的方式固定在玻璃衬底上。通过流体控制模块3中的微流控通道303来控制生物传感器表面的待测样本的流速以及生物传感器表面的清洗。

本申请实施例中，光电场效应管阵列1包括一个至多个光电场效应管。光电场效应管的数量与与微流控通道303的数量相同，即一个光电场效应管对应一组微流控通道303。光电场效应管可以是基于纳米材料的光电场效应管。图3为本申请实施例提供的一种光电场效应管结构示意图，如图3所示，光电场效应管包括第二衬底101层、氧化层102、第二表面处理层104、电极103和光电敏感层105。可选的，第二衬底101层为硅衬底。氧化层102设置在第二衬底101层上。氧化层102的材质为氧化硅层。第二表面处理层104设置在氧化层102上。第二表面处理层104为氧化层102经过表面处理剂处理后得到。表面处理剂可以包括3-氨丙基三乙氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷等，通过设置第二表面处理层104实现对光电场效应管响应光电流的调控。电极103设置在氧化层102上。电极103包括源极和漏极，分别设置在氧化层102的两端。光电敏感层105设置在第二表面处理层104上和至少部分电极103上。光电敏感层105可以是石墨烯/钙钛矿量子点复合材料，也可以是二硫化钼等具有光电特性的二维材料，或者是二维材料异质结等。在一些实施例中，光电场效应管还包括保护层106，保护层106设置在光电敏感层105上，保护层106用于保护光电敏感层105。生物传感模块2通过集成组件4实现与光电场效应管阵列1的连接。可选的，可选择医用双面胶、热键合或者化学键结合的方式将生物传感模块2集成在光电场效应管阵列1上。

作为一种可选的实施方式，基于纳米材料的光电场效应管的基本结构中，第二衬底101层可选用重掺杂硅衬底。在重掺杂硅衬底上设置有氧化层102，在氧化层102上制备有金属电极103以及第二表面处理层104。在光电场效应管中，通过不同的表面处理得到的第二表面处理层104可以对光电场效应管的响应光电流进行调控，可用于增大或者减小光电场效应管响应的光电流。图4为本申请实施例提供的一种不同第二表面处理层104的光电场效应管的光电流响应变化示意图，如图4所示，表面处理1所采用的处理试剂可为3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，表面处理2所采用的处理试剂可为十八烷基三甲氧基硅烷(ODTS)。本申请实施例所采用的ODTS是自组装单分子膜(SAM)用作钝化层，并用于控制基底表面性质的改性。由于ODTS所起到的主要作用包括润湿、附着力、摩擦、化学传感和超细尺度光刻等，从而能够优化器件制备性能。在第二表面处理层104上有制备光电敏感材料层，即光电敏感层105。这种光电敏感材料层可以是石墨烯/钙钛矿量子点复合材料，也可以是二硫化钼等具有光电特性的二维材料，或者是二维材料异质结等。这种二维的光电敏感材料层使器件制备工艺简单，易于实现。光电敏感层105上面涂有透明的保护层106。保护层106能够使器件的性能维持更长时间。

本申请实施例中，光电场效应管与生物可调制纳米光学生物传感模块2通过集成组件4集成于一体，中间存在物理隔离区401区。即生物传感模块2的第二侧面的边缘与光电场效应管阵列1连接。第二侧面中间区域与光电场效应管阵列1之间存在空气腔。通过引入生物可调制纳米光学生物传感模块2，将生物分子的检测区域独立于电学器件之外，解决了生物溶液与电学器件的直接接触的问题，提高了器件响应的稳定性。

本申请实施例还提供了一种生物分子检测设备，设备包括如上所述的光电集成生物传感器。

本申请实施例中，光电集成生物传感器中的光电场效应管为基于石墨烯/钙钛矿量子点复合材料的光电器件。利用石墨烯/钙钛矿量子点复合材料的光电特性，结合可调谐纳米等离子体光学生物传感器，构建石墨烯光电生物传感器，用于目标生物分子的检测。

本申请实施例中，上述基于石墨烯/钙钛矿量子点的复合光电集成生物传感器主要包括石墨烯/钙钛矿量子点复合材料的光电场效应管阵列1和可调谐纳米等离子体光学生物传感模块2。石墨烯/钙钛矿量子点复合材料的光电场效应管阵列1和可调谐纳米等离子体光学生物传感模块2之间可通过医用双面胶等方法进行集成。在制备生物可调制纳米光学生物传感模块2时，通过在厚度为0.1mm-0.2mm的玻璃衬底表面进行硅烷化的修饰，然后在修饰后的玻璃衬底的表面进行滴加纳米金溶液以作为透光微纳米结构203。金纳米颗粒能够自组装在玻璃衬底表面，纳米金的尺寸范围为15nm-50nm。在玻璃衬底表面固定纳米金颗粒后，在纳米金颗粒表面通过巯基分子进行捕获探针204的修饰，这种捕获探针204可以是抗体、适配体等生物分子。图5为本申请实施例提供的一种光电集成生物传感器结合目标生物分前后光电流响应变化示意图，如图5所示，当待检测样品的溶液通过微流控通道303进入生物传感模块2中时，捕获探针204捕获目标生物分子。当目标生物分子被捕获后，光通过具有自组装纳米金的表面，光电场效应管中的光敏感层表面接收到的光发生变化，导致光电场效应管产生的光电流产生变化，通过这种光电流的变化来实现目标生物分子的浓度的检测。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光电集成生物传感器，其特征在于，包括：

生物传感模块(2)，用于检测目标生物分子的浓度；

流体控制模块(3)，用于控制样品进出所述生物传感模块(2)；

光电场效应管阵列(1)，用于根据光强度变化产生检测电流；

其中，所述生物传感模块(2)包括相对的第一侧面和第二侧面，所述第一侧面与所述流体控制模块(3)连接形成样品检测腔；所述第二侧面与所述光电场效应管阵列(1)连接，所述第二侧面与所述光电场效应管阵列(1)之间设置有物理隔离区(401)；

所述第二侧面的边缘与所述光电场效应管阵列(1)连接；

所述第二侧面中间区域与所述光电场效应管阵列(1)之间存在空气腔。

2.根据权利要求1所述的光电集成生物传感器，其特征在于，所述生物传感模块(2)包括第一衬底(201)、第一表面处理层(202)和目标分子检测结构；

所述第一表面处理层(202)设置在所述第一衬底(201)的表面；

所述目标分子检测结构设置在所述第一表面处理层(202)上。

3.根据权利要求2所述的光电集成生物传感器，其特征在于，所述目标分子检测结构包括透光微纳米结构(203)层和捕获探针(204)；

所述透光微纳米结构(203)层设置在所述第一表面处理层(202)上；

所述捕获探针(204)设置在所述透光微纳米结构(203)层上。

4.根据权利要求3所述的光电集成生物传感器，其特征在于，所述第一表面处理层(202)为硅烷化修饰层或嵌段共聚物层。

5.根据权利要求4所述的光电集成生物传感器，其特征在于，所述流体控制模块(3)包括顶面(301)和侧面(302)，所述侧面(302)的一端与所述顶面(301)连接构成盒装结构；

所述侧面(302)的另一端与所述第一表面处理层(202)连接；

所述顶面(301)或所述侧面(302)上设置有至少一组微流控通道(303)，所述微流控通道(303)包括进样口和出样口；

所述进样口用于使样品进入所述样品检测腔内；

所述出样口用于使样品排出所述样品检测腔。

6.根据权利要求1所述的光电集成生物传感器，其特征在于，所述光电场效应管阵列(1)包括第二衬底(101)层、氧化层(102)、第二表面处理层(104)、电极(103)和光电敏感层(105)；

所述氧化层(102)设置在所述第二衬底(101)层上；

所述第二表面处理层(104)设置在所述氧化层(102)上；

所述电极(103)设置在所述氧化层(102)上；

所述光电敏感层(105)设置在所述第二表面处理层(104)上和至少部分所述电极(103)上。

7.根据权利要求6所述的光电集成生物传感器，其特征在于，所述第二表面处理层(104)为所述氧化层(102)经过表面处理剂处理后得到；

所述表面处理剂至少包括3-氨丙基三乙氧基硅烷和十八烷基三甲氧基硅烷。

8.根据权利要求7所述的光电集成生物传感器，其特征在于，所述光电场效应管阵列(1)还包括保护层(106)，所述保护层(106)设置在所述光电敏感层(105)上，所述保护层(106)用于保护所述光电敏感层(105)。

9.一种生物分子检测设备，其特征在于，所述设备包括如权利要求1-8任一项所述的光电集成生物传感器。

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