CN114371208A - 生物传感器制作、检测方法、生物传感器及光电磁系统 - Google Patents
生物传感器制作、检测方法、生物传感器及光电磁系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114371208A CN114371208A CN202111441366.9A CN202111441366A CN114371208A CN 114371208 A CN114371208 A CN 114371208A CN 202111441366 A CN202111441366 A CN 202111441366A CN 114371208 A CN114371208 A CN 114371208A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- biosensor
- graphene
- channel
- graphene film
- module
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 14
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 66
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 65
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 21
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 19
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 claims abstract description 14
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000004080 punching Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 36
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 108091023037 Aptamer Proteins 0.000 claims description 22
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 18
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 17
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 17
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 13
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 12
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 6
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 6
- RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K iron trichloride Chemical compound Cl[Fe](Cl)Cl RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 6
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 4
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 4
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 4
- 229910021578 Iron(III) chloride Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 2
- 238000011534 incubation Methods 0.000 claims description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 28
- 108020004414 DNA Proteins 0.000 description 25
- 239000010408 film Substances 0.000 description 15
- 239000002953 phosphate buffered saline Substances 0.000 description 12
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 10
- 102000053602 DNA Human genes 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 8
- 108020004682 Single-Stranded DNA Proteins 0.000 description 6
- DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M Sodium laurylsulphate Chemical compound [Na+].CCCCCCCCCCCCOS([O-])(=O)=O DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 6
- 235000019333 sodium laurylsulphate Nutrition 0.000 description 6
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000002122 magnetic nanoparticle Substances 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000002866 fluorescence resonance energy transfer Methods 0.000 description 3
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- -1 1-pyrenebutanoic acid succinamide ester Chemical class 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000011895 specific detection Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- YBNMDCCMCLUHBL-UHFFFAOYSA-N (2,5-dioxopyrrolidin-1-yl) 4-pyren-1-ylbutanoate Chemical compound C=1C=C(C2=C34)C=CC3=CC=CC4=CC=C2C=1CCCC(=O)ON1C(=O)CCC1=O YBNMDCCMCLUHBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108091032973 (ribonucleotides)n+m Proteins 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NQTADLQHYWFPDB-UHFFFAOYSA-N N-Hydroxysuccinimide Chemical compound ON1C(=O)CCC1=O NQTADLQHYWFPDB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000975 bioactive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I dipotassium trisodium dihydrogen phosphate hydrogen phosphate dichloride Chemical compound P(=O)(O)(O)[O-].[K+].P(=O)(O)([O-])[O-].[Na+].[Na+].[Cl-].[K+].[Cl-].[Na+] LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 238000007877 drug screening Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000003446 ligand Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
- G01N27/4145—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/5308—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor for analytes not provided for elsewhere, e.g. nucleic acids, uric acid, worms, mites
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
- G01N2021/6439—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes" with indicators, stains, dyes, tags, labels, marks
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Pathology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- Hematology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Cell Biology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Tropical Medicine & Parasitology (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
本发明提出了生物传感器制作、检测方法、生物传感器及光电磁系统，制作时包括：将石墨烯薄膜生长在铜箔上并获得石墨烯块，将石墨烯块附着有有机玻璃；去除掉石墨烯薄膜所依附的铜箔，将石墨烯薄膜移动到带有氧化铟锡电极的玻璃板上作为两个电极中间的桥梁，玻璃片上的两个电极分别作为生物传感器的源极和漏极；将转移上石墨烯的氧化铟锡的玻璃板盖在数字微流控芯片的通道上作为盛放待测溶液的容器；在数字微流控芯片上打孔，孔中通过的电极作为栅极输入电压，形成电通道；激发光源通过光纤传导至敏感区，形成光通道；施加周期性的磁场，形成磁通道。经过证明MSIGFET具有优良的特异性。
Description
技术领域
本发明属于数字微流控生物传感器技术领域，尤其涉及生物传感器制作、检测方法、生物传感器及光电磁系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
定量测量生物活性分子(DNA、RNA、蛋白质和配体等)，特别是对 DNA的定量检测及其结合动力学的研究，在疾病诊断、药物筛选、生命科学研究以及环境监测等领域中具有重要意义。
到目前为止，已经研发出各种各样对DNA杂交动力学检测的方法，主要包括荧光生物传感器、电化学生物传感器以及场效应晶体管生物传感器等。其中，荧光生物传感器和基于纳米材料(一维硅纳米线和碳纳米管等) 的场效应晶体管(Field effect transistor，FET)生物传感器由于具有较高的检测灵敏度和可选择性引起了广泛关注。
但是目前单链DNA检测中存在无法自动化和集成度低的缺点。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了生物传感器制作、检测方法、生物传感器及光电磁系统，可用于单链DNA的高灵敏度检测，且实现检测过程的自动化。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了一种生物传感器的制作方法，包括：
将石墨烯薄膜生长在铜箔上并获得石墨烯块，将石墨烯块附着有有机玻璃；
去除掉石墨烯薄膜所依附的铜箔，将石墨烯薄膜移动到带有氧化铟锡电极的玻璃板上作为两个电极中间的桥梁，玻璃片上的两个电极分别作为生物传感器的源极和漏极；
将转移上石墨烯的氧化铟锡的玻璃板盖在数字微流控芯片的通道上作为盛放待测溶液的容器；
在数字微流控芯片上打孔，孔中通过的电极作为栅极输入电压，形成电通道；激发光源通过光纤传导至敏感区，形成光通道；施加周期性的磁场，形成磁通道。
在一些实施例子中，针对石墨烯块，在石墨烯块表面均匀的涂上 PMMA，之后，加热带有石墨烯的铜箔以使PMMA与石墨烯薄膜紧密结合。
作为进一步的实施例子中，采用配置完备的三氯化铁溶液去除掉石墨烯薄膜所依附的铜箔：
使附着有PMMA的石墨烯块悬浮在三氯化铁溶液里，等待铜基地完全被腐蚀，将石墨烯薄膜放入去离子水中清洗。
作为进一步的实施例子中，将石墨烯薄膜移动到带有氧化铟锡电极的玻璃板上作为两个电极中间的桥梁之后，还包括：使用丙酮溶液清洗依附在石墨烯表层的PMMA。
作为进一步的实施例子中，还包括：将溶于二甲基亚砜的PBASE移动到制备好的数字微流控反应腔中室温孵化；
分别用DMSO、去离子水依次清洗生物传感器，去除未反应的PBASE；
将Aptamer注入反应腔并在室温下孵化，使Aptamer与PBASE充分结合；
分别用含有SDS的PBS液和PBS液清洗生物传感器，来去除掉未结合的Aptamer。
第二方面，公开了一种生物传感器，所述生物传感器通过上述制作方法获得。
第三方面，公开了一种生物传感器的检测方法，包括：
将待测目标物加入生物传感器中以保障待测目标物与探针适配体充分杂交结合；
洗涤生物传感器，以此来去除未结合的被荧光基团标记的待测目标物；
记录生物传感器的电信号变化与荧光强度的变化来实现对待测目标物的检测，每次测量后，冲洗该生物传感器，以再生探针适配体。
作为进一步的实施例子，上述生物传感器的检测方法用于对不同浓度的DNA进行检测。
第四方面，公开了光电磁系统，包括：
包括光路部分和电路部分，所述光路部分用于产生光信号，将得到的光信号转变为电信号输出并实时上传到数据采集和控制单元以反映当下的荧光强度；
所述电路部分主要包括栅压输出模块、D/A转换模块、桥式电路模块、AD信号采集模块、电机驱动模块及数据采集和控制单元；
栅压输出模块输出的栅极电压经过D/A转换模块转换并通过AgCl电极应用于生物传感器，生物传感器的源极和漏极之间的电压直接通过桥式电路模块处理并经过AD信号采集模块进行实时记录；
电机驱动模块采用PWM的方式控制电机速度；
AD信号采集模块采集的阻抗波动上传至数据采集和控制单元进行实时记录。
作为进一步的实施例子，所述光路部分包括光纤准直器、高通滤光片及PMT；
所述光纤准直器将灯发出的光汇聚成平行光束，该平行光束经过光纤传到生物传感器，激发荧光，被激发的荧光首先经过光纤准直器汇聚成平行光束，然后经过光纤传到高通滤光片；
所述高通滤光片对传输来的光再次滤光后，汇聚到PMT的有效感应区；
所述PMT将得到的光信号转变为电信号输出并实时上传到上位机以反映当下的荧光强度。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明光电磁MSIGFET生物传感器不仅提高了检测结果的准确率，而且微流控芯片体积小，芯片上的样品的控制尺度在微米量级，成本低，便于携带，自动化程度高。
本发明除了可以对同一目标进行检测外，该传感器还有可能对不同目标物进行检测，特别是基于光的穿透性和无创性，有潜力应用于细胞内外不同种分子的检测，这对研究细胞活性机制具有重要意义。
本发明为构建多重传感技术集成的生物传感器提供了一种新的策略。针对目前的单链DNA检测一般只采用单一通道的检测方法，如荧光生物传感器、电化学生物传感器以及场效应晶体管生物传感器等，本发明将几种传感器的检测方法集成在一起，使检测结果相互验证，从而得到更为准确的结果。
针对目前的单链DNA检测大多依赖大型仪器分析，所用样品种类较多时会面临进、出样繁琐的问题，且无法精准控制反应时间。本发明利用数字微流控技术可以对样品运动路线进行编程，并实现样品的连续多步处理，同时也可对多样本液滴的位置和反应时间进行精确的控制，提高了自动化程度。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例石墨烯的转移过程示意图；
图2为本发明实施例MSIGFET结构原理图；
图3为本发明实施例MSIGFET的功能化与检测原理示意图；
图4为本发明实施例MSIBDS的示意图；
图5为本发明实施例光电磁三通道灵敏度检测结果比较示意图；
图6为本发明实施例光电磁三通道特异性检测结果比较示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
名词解释：
CVD：化学气相沉积；
PMMA：聚甲基丙烯酸甲酯，PolymethylMethacrylate；
PBASE：1-芘丁酸琥珀酰胺酯，1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester；
DMSO：二甲基亚砜,Dimethyl sulfoxide；
Aptamer：适配体，这里指DNA链；
含有0.2％SDS的PBS：含有0.2％十二烷基硫酸钠的磷酸缓冲盐溶液；
MSIBDS：光电磁多传感方式集成的生物传感检测系统，Multi-sensingintegrated biosensing detection system；
PMT：光电倍增管。
近年来，随着数字微流控(DMF)技术被广泛应用。数字微流控技术是近年来在芯片上发展起来的一种新的操纵微小体积液体的技术。
其原理是通过向芯片的电极上施加电压，从而改变芯片介质层与其上液滴的表面张力。
通过构建电极阵列，相邻电极加电以及原电极断电进而完成液滴的产生、分裂及运输等操作。数字微流控芯片可以对运动路线进行编程，并实现液滴的连续多步处理，同时也可对多样本液滴的位置和反应时间进行精确的控制，制作工艺简单且成本低廉。数字微流控技术可有效解决单链DNA 检测中无法自动化和集成度低的缺点，为在线检测单链DNA检测提供了便利。
分析物表面的反应或吸附引起的电荷变化相当敏感等优良特性，使得二维石墨烯场效应晶体管(Graphene field effect transistor，GFET)生物传感器比一维纳米材料FET生物传感器在探测DNA杂交动力学方面更具优势。在常规GFET生物传感器中，主要基于GFET生物传感器的双导电层电容模型理论对DNA杂交动力学检测进行分析。
在栅极通过电介质对石墨烯薄膜施加一定的栅压，使得在石墨烯薄膜和溶液电解质之间的界面处形成双导电层，从而调制GFET的电阻特性。
因此，通过对传感器施加一定栅压，分析GFET生物传感器产生的电信号变化，实现对tDNA的检测。
磁镊技术是一种单分子力谱法，在tDNA末端耦合磁性纳米颗粒(Mbs)，当施加一定磁场时，通过Mbs与磁场之间的磁力，可以实现机械地控制耦合Mbs的tDNA与石墨烯薄膜之间的距离，从而调制磁控GFET生物传感器的双导电层结构。
因此，磁控GFET生物传感器因其具有高信噪比、物理和化学性质稳定、有生物相容性，环保等独特的优势引起了广泛关注。
基于荧光共振能量转移(Fluorescence resonance energy transfer，FRET) 的荧光生物传感器是一种常用的用于监测DNA杂交过程的光学技术。
由于其具有分析灵敏度高、选择性强以及使用简便等优点，成为目前研究最广泛的光学传感技术之一。
FRET是受激发的供体生色团将能量传递给受体生色团(两者在1nm范围内)的现象，当标记在tDNA上的荧光基团受到激发时，产生的荧光可以通过强度来衡量，反映tDNA的浓度。
因此，本发明提出将石墨烯场效应管生物传感、荧光生物传感集成并结合Mbs构建了一种基于数字微流控的多传感集成石墨烯场效应晶体管 (多传感集成石墨烯场效应晶体管，MSIGFET)生物传感器并用于对tDNA 的检测。
实施例一
本发明公开了生物传感器制作方法，具体的，MSIGFET生物传感器的制作过程如图1所示。
本发明采取典型的CVD方法将石墨烯薄膜生长在铜箔上，并采用湿法转移的方式将石墨烯转移到带有氧化铟锡(ITO)电极的玻璃基底上来作为 MSIGFET的源极和漏极。
由于铜基底上制作的石墨烯品质较好，比较适合制作对质量要求较为严格的石墨烯生物传感器，所以本发明使用石墨烯依附在铜箔表层的石墨烯薄膜上，具体见图1中的(a)。
使用剪刀剪取适宜大小的石墨烯块，为了保证转移石墨烯薄膜的完整性，在剪取的石墨烯表面均匀的涂上PMMA，使PMMA平铺在石墨烯表面，见图1中的(b)所示，为了使PMMA与石墨烯薄膜紧密结合，在具体实施例子中使用加热台加热带有石墨烯的铜箔，以起到加固结合效果的作用。
随后采用配置完备的三氯化铁溶液去除掉石墨烯薄膜所依附的铜箔。使附着有PMMA的石墨烯块悬浮在三氯化铁溶液里，等待铜基地完全被腐蚀，捞出石墨烯薄膜放在去离子水中清洗，见图1中的(c)。
将清洗干净的石墨烯薄膜移动到带有氧化铟锡电极的玻璃板上作为两个电极中间的桥梁，玻璃片上的两个电极分别作为场效应管传感器的源极和漏极，见图1中的(d)。
由于加入了PMMA会影响石墨烯生物传感器的响应特性，因此使用丙酮溶液清洗依附在石墨烯表层的PMMA，见图1中的(e)。
最后将转移上石墨烯的氧化铟锡的玻璃板盖在数字微流控芯片的通道上作为盛放待测DNA溶液的容器，见图1中的(f)。
MSIGFET结构的原理图如图2所示。在数字微流控芯片上打孔，孔中通过的AgCl电极作为栅极输入电压，形成GFET作为电通道。
具体的，AgCl电极作为栅极，位于上方的玻璃板上的两个氧化铟锡电极分别作为源极和漏极，此时可形成石墨烯场效应管(GFET)。通过向栅极输入电压，石墨烯上会因为不同的DNA链浓度，反映在源极和漏极上会输出不同的电压。最终根据电压的变化来反映DNA链的浓度。
窄带LED作为激发光源，通过光纤传导至敏感区，形成荧光生物传感器，作为MSIGFET的光通道；在传感器上施加周期性的磁场，形成 MSIGFET的磁通道。
本发明相比于单一通道的检测方式，多通道得到的检测结果可以互相验证，使结果更加准确。
GFET的修饰与实现其功能化如图3所示：
首先，将溶于二甲基亚砜(DMSO)的PBASE移动到制备好的数字微流控反应腔中室温孵化2小时。
然后，分别用DMSO、去离子水依次清洗生物传感器，以此来去除未反应的PBASE。将Aptamer注入反应腔并在室温下孵化4小时，使Aptamer 与PBASE充分结合。
其次，分别用含有0.2％SDS的PBS液和PBS液清洗该生物传感器，来去除掉未结合的Aptamer。
最后，分别将不同浓度的Mbs/tDNA的耦合物溶液加入反应腔，依次对tDNA进行一系列的检测实验。
通过上述制作方法获得生物传感器。
实施例二
使用生物传感器对tDNA的检测步骤具体如下：
将待测Mbs/tDNA加入MSIGFET传感器中1小时，以保障待测 Mbs/tDNA与探针适配体充分杂交结合。
然后，加入含有0.2％SDS的PBS溶液和PBS溶液洗涤MSIGFET三次，以此来去除未结合的被荧光基团标记的Mbs/tDNA和过量的Mbs。
最后，采用光电磁MSIBDS记录MSIGFET的电信号变化与荧光强度的变化来实现对tDNA的检测。
每次测量后，用NaOH溶液(25℃)冲洗该装置60s，以再生探针适配体。
上述待测Mbs/tDNA耦合过程为：
首先利用超声仪，将用羧基修饰的磁性纳米颗粒Mbs置于超声中 20min，得到均匀分散的Mbs溶液。其次，将均匀分散的Mbs溶液与1-乙基-(3-二甲氨基丙基)羧二亚胺盐酸盐(EDC)和n-羟基丁二酰胺(NHS)混合15min以获得活化的Mbs。然后，将待测tDNA溶液加入到上述混合溶液中，并使其在室温下连续轻微摇动培养2h，使Mbs与tDNA可以充分的结合。再次，引入强磁场以富集Mbs/tDNA。最后，将Mbs/tDNA溶液用PBS洗涤三次并分散在PBS溶液中，并在4℃储存以备将来使用。
在磁通道的检测过程中，Mbs/tDNA耦合就是在目标dna链的一端修饰上磁性纳米颗粒，当的磁场变强时，耦合的磁珠会向磁场方向靠近，使DNA 链发生弯折，使石墨烯场效应管的源极和漏极输出发生变化，基于这个原理来检测目标dna链的浓度。
此处需要注意的是，光通道、电通道和磁通道并不是同时采集信号，而是先后分别采集。
实施例三
本实施例的目的是提供光电磁MISBDS，光电磁MISBDS的构造图如图4所示，其中主要包括MSIGFET生物传感器、以及与其匹配的光路部分和电路部分。
光路部分主要通过光纤准直器将LED灯发出的光汇聚成平行光束。该平行光束经过光纤传到MSIGFET，激发荧光。被激发的荧光首先经过光纤准直器汇聚成平行光束，然后经过光纤传到520nm的高通滤光片，再次滤光后，汇聚到PMT的有效感应区。PMT将得到的光信号转变为电信号输出并实时上传到上位机以反映当下的荧光强度(The fluorescenceintensity， IF)。
电路部分主要包括电源模块、栅压输出模块、桥式电路模块、AD信号采集模块以及电机驱动模块等。
栅压输出模块输出栅极电压，栅极电压(Vg)经过D/A转换模块转换并通过AgCl电极应用于MSIGFET。MSIGFET源极和漏极之间的电压(Vds) 直接通过数据采集单元(即AD信号采集模块)进行实时记录。MSIGFET 电流强度(The current intensity，IC)可以通过Vds来计算。在电机驱动模块电路中，本系统采用PWM的方式控制电机输入的PWM信号以进行电机速度的控制，然后将采集到的阻抗波动(the impedance intensity，II)上传至数据采集单元进行实时记录。
采集到的阻抗波动的过程为：当磁场变强时，芯片上的dna由于修饰的磁性纳米颗粒，dna会弯折，修饰磁珠的一端会靠近磁场，该变化会产生阻抗波动，使源极和漏极的输出电压产生变化。
最后，将MSIGFET的荧光强度IF、电流强度IC和阻抗波动II记录并通过AD数据采集模块上传到上位机。通过采集的上述三个信号相互验证，进而得到可靠的结果。
本发明光路部分主要为led提供激发光，当标记在tDNA上的荧光基团受到激发时，会产生荧光信号，由光电倍增管采集后经过AD信号采集模块最终上传至上位机。
电路部分主要包括：电源模块为整个系统电路供电；栅压输出模块使栅极电压(Vg)经过D/A转换模块转换并通过AgCl电极应用于MSIGFET；桥式电路模块以差分的方式采集场效应管源极和漏极输出的信号；AD信号采集模块采集光通道、电通道和磁通道产生的信号；电机驱动模块控制磁场的强弱变化。
实施例四
本实施例子公开了MSIGFET对不同浓度的DNA检测：
为了检验MSIGFET的实用性，研究了不同浓度的tDNA和Aptamer 之间实时DNA杂交的结合动力学。
如图5所示，首先，在功能化的石墨烯中按照从低到高的顺序依次加入了不同浓度的Mbs/tDNA，浓度分别为10pM、1nM、10nM、100nM和 2uM。
然后，基于MSIGFET的光电磁多检传感特性和MSIBDS的监测装置，可以获得荧光强度、电流和阻抗的变化。
对于电通道，MSIGFET的电流随着待测Mbs/tDNA浓度的增加而逐渐降低，并且狄拉克点逐渐左移，图5中(b)图所示。
对于光和磁通道，在提供激发光激发以及施加周期性磁场的情况下， MSIGFET的中荧光强度和阻抗随着待测Mbs/DNA浓度的增加而逐渐增加图5中(a)、(c)、(d)图所示，其中，(a)光通道灵敏度检测结果， (b)电通道。灵敏度检测结果，(c)磁通道灵敏度检测结果，(d)不同互补tDNA浓度的阻抗波动时域图。
上述都表明Mbs/tDNA成功与探针适配体结合。MSIBDS的光电磁三通道在检测tDNA敏感性方面显示出一致的趋势。
这使该传感器的测量结果比单一传感方式的传感器测量结果更可靠，同时可以看出，该传感器的灵敏度可达到10pM，检测限度较低。
另外，关于MSIGFET的特异性检测：
为了验证MSIGFET的特异性，使用完全错配的Mbs/tDNA进行验证。
首先，将溶解在PBS溶液中的完全错配的Mbs/tDNA放入反应池1小时完全反应。
然后用0.2％的SDS溶液和PBS溶液清洗MSIGFET，清除未反应的完全错配Mbs/DNA。
最后，作为对照实验，将相同浓度完全匹配的Mbs/tDNA加入反应池， 1小时后再次洗涤，使用MSIBDS检测整个反应过程中荧光强度、电流和阻抗的变化。
对于电通道，完全错配的Mbs/tDNA的电流和狄拉克点没有显著变化，完全匹配的Mbs/tDNA的电流显著降低，狄拉克点出现左移，见图6中(a) 所示，这表明完全匹配的Mbs/tDNA与Aptamer完全结合，完全错配的 Mbs/tDNA与Aptamer没有结合。
对于光-磁通道，完全匹配的Mbs/tDNA荧光强度和阻抗明显增加，完全错配的Mbs/tDNA荧光强度和阻抗基本不变，见图6中(b)、(c)所示，荧光强度和阻抗的变化也表明Aptamer只与完全匹配的Mbs/tDNA结合。
本实验证明MSIGFET具有优良的特异性。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种生物传感器的制作方法，其特征是，包括：
将石墨烯薄膜生长在铜箔上并获得石墨烯块，将石墨烯块附着有有机玻璃；
去除掉石墨烯薄膜所依附的铜箔，将石墨烯薄膜移动到带有氧化铟锡电极的玻璃板上作为两个电极中间的桥梁，玻璃片上的两个电极分别作为生物传感器的源极和漏极；
将转移上石墨烯的氧化铟锡的玻璃板盖在数字微流控芯片的通道上作为盛放待测溶液的容器；
在数字微流控芯片上打孔，孔中通过的电极作为栅极输入电压，形成电通道；激发光源通过光纤传导至敏感区，形成光通道；施加周期性的磁场，形成磁通道。
2.如权利要求1所述的一种生物传感器的制作方法，其特征是，针对石墨烯块，在石墨烯块表面均匀的涂上PMMA，之后，加热带有石墨烯的铜箔以使PMMA与石墨烯薄膜紧密结合。
3.如权利要求1所述的一种生物传感器的制作方法，其特征是，采用配置完备的三氯化铁溶液去除掉石墨烯薄膜所依附的铜箔：
使附着有PMMA的石墨烯块悬浮在三氯化铁溶液里，等待铜基地完全被腐蚀，将石墨烯薄膜放入去离子水中清洗。
4.如权利要求1所述的一种生物传感器的制作方法，其特征是，将石墨烯薄膜移动到带有氧化铟锡电极的玻璃板上作为两个电极中间的桥梁之后，还包括：使用丙酮溶液清洗依附在石墨烯表层的PMMA。
5.如权利要求1所述的一种生物传感器的制作方法，其特征是，还包括：将溶于二甲基亚砜的PBASE移动到制备好的数字微流控反应腔中室温孵化；
分别用DMSO、去离子水依次清洗生物传感器，去除未反应的PBASE；
将Aptamer注入反应腔并在室温下孵化，使Aptamer与PBASE充分结合；
分别用含有SDS的PBS液和PBS液清洗生物传感器，来去除掉未结合的Aptamer。
6.一种生物传感器，其特征是，所述生物传感器通过上述权利要求1-5任一所述的制作方法获得。
7.一种权利要求6所述的生物传感器的检测方法，其特征是，包括：
将待测目标物加入生物传感器中以保障待测目标物与探针适配体充分杂交结合；
洗涤生物传感器，以此来去除未结合的被荧光基团标记的待测目标物；
记录生物传感器的电信号变化与荧光强度的变化来实现对待测目标物的检测，每次测量后，冲洗该生物传感器，以再生探针适配体。
8.一种权利要求7所述的生物传感器的检测方法，其特征是，所述生物传感器的检测方法用于对不同浓度的DNA进行检测。
9.光电磁系统，用于记录权利要求6所述的生物传感器检测时的电信号变化与荧光强度的变化，其特征是，包括：
包括光路部分和电路部分，所述光路部分用于产生光信号，将得到的光信号转变为电信号输出并实时上传到数据采集和控制单元以反映当下的荧光强度；
所述电路部分主要包括栅压输出模块、D/A转换模块、桥式电路模块、AD信号采集模块、电机驱动模块及数据采集和控制单元；
栅压输出模块输出的栅极电压经过D/A转换模块转换并通过AgCl电极应用于生物传感器，生物传感器的源极和漏极之间的电压直接通过桥式电路模块处理并经过AD信号采集模块进行实时记录；
电机驱动模块采用PWM的方式控制电机速度；
AD信号采集模块采集的阻抗波动上传至数据采集和控制单元进行实时记录。
10.如权利要求9所述的光电磁系统，其特征是，所述光路部分包括光纤准直器、高通滤光片及PMT；
所述光纤准直器将灯发出的光汇聚成平行光束，该平行光束经过光纤传到生物传感器，激发荧光，被激发的荧光首先经过光纤准直器汇聚成平行光束，然后经过光纤传到高通滤光片；
所述高通滤光片对传输来的光再次滤光后，汇聚到PMT的有效感应区；
所述PMT将得到的光信号转变为电信号输出并实时上传到上位机以反映当下的荧光强度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111441366.9A CN114371208A (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 生物传感器制作、检测方法、生物传感器及光电磁系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111441366.9A CN114371208A (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 生物传感器制作、检测方法、生物传感器及光电磁系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114371208A true CN114371208A (zh) | 2022-04-19 |
Family
ID=81139580
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111441366.9A Pending CN114371208A (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 生物传感器制作、检测方法、生物传感器及光电磁系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114371208A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115078504A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-09-20 | 聊城大学 | 多传感集成migfet生物传感器的制备方法及检测装置 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB201019493D0 (en) * | 2010-11-18 | 2010-12-29 | Univ Plymouth | Graphene based electronic device |
| CN105651845A (zh) * | 2015-12-28 | 2016-06-08 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种基于非共价修饰的石墨烯场效应管的肿瘤标志物检测传感器及其制备方法 |
| WO2016145110A1 (en) * | 2015-03-09 | 2016-09-15 | Edico Genome, Inc. | Graphene fet devices, systems, and methods of using the same for sequencing nucleic acids |
| CN107051601A (zh) * | 2017-06-06 | 2017-08-18 | 河南理工大学 | 基于石墨烯场效应管的核酸检测微流控芯片及制备方法 |
| CN107488709A (zh) * | 2017-06-23 | 2017-12-19 | 山东师范大学 | 光纤场效应管生物传感器、生物检测装置及方法 |
| EP3344980A1 (en) * | 2015-09-02 | 2018-07-11 | Agilome, Inc. | Chemically-sensitive field effect transistors, systems, and methods for manufacturing and using the same |
| CN109975380A (zh) * | 2019-03-28 | 2019-07-05 | 山东师范大学 | 磁控石墨烯场效应管传感器及其制作、测量和检测方法 |
| CN113008967A (zh) * | 2020-06-29 | 2021-06-22 | 山东大学 | 一种无标记石墨烯场效应晶体管柔性生物传感器及其制备方法和应用 |
| CN113466310A (zh) * | 2021-07-02 | 2021-10-01 | 山东师范大学 | 基于数字微流控的光纤场效应管联用生物传感器及装置 |
-
2021
- 2021-11-30 CN CN202111441366.9A patent/CN114371208A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB201019493D0 (en) * | 2010-11-18 | 2010-12-29 | Univ Plymouth | Graphene based electronic device |
| WO2016145110A1 (en) * | 2015-03-09 | 2016-09-15 | Edico Genome, Inc. | Graphene fet devices, systems, and methods of using the same for sequencing nucleic acids |
| EP3344980A1 (en) * | 2015-09-02 | 2018-07-11 | Agilome, Inc. | Chemically-sensitive field effect transistors, systems, and methods for manufacturing and using the same |
| CN105651845A (zh) * | 2015-12-28 | 2016-06-08 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种基于非共价修饰的石墨烯场效应管的肿瘤标志物检测传感器及其制备方法 |
| CN107051601A (zh) * | 2017-06-06 | 2017-08-18 | 河南理工大学 | 基于石墨烯场效应管的核酸检测微流控芯片及制备方法 |
| CN107488709A (zh) * | 2017-06-23 | 2017-12-19 | 山东师范大学 | 光纤场效应管生物传感器、生物检测装置及方法 |
| CN109975380A (zh) * | 2019-03-28 | 2019-07-05 | 山东师范大学 | 磁控石墨烯场效应管传感器及其制作、测量和检测方法 |
| CN113008967A (zh) * | 2020-06-29 | 2021-06-22 | 山东大学 | 一种无标记石墨烯场效应晶体管柔性生物传感器及其制备方法和应用 |
| CN113466310A (zh) * | 2021-07-02 | 2021-10-01 | 山东师范大学 | 基于数字微流控的光纤场效应管联用生物传感器及装置 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115078504A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-09-20 | 聊城大学 | 多传感集成migfet生物传感器的制备方法及检测装置 |
| CN115078504B (zh) * | 2022-07-08 | 2024-03-19 | 聊城大学 | 多传感集成migfet生物传感器的制备方法及检测装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Patel et al. | Biosensors in health care: the milestones achieved in their development towards lab‐on‐chip‐analysis | |
| Wadhera et al. | Recent advances and progress in development of the field effect transistor biosensor: A review | |
| Filik et al. | Electrochemical immunosensors for the detection of cytokine tumor necrosis factor alpha: a review | |
| Karunakaran et al. | Introduction to biosensors | |
| Santos et al. | Nanoporous anodic aluminum oxide for chemical sensing and biosensors | |
| Moina et al. | Fundamentals and applications of immunosensors | |
| Bhattarai et al. | Basics of biosensors and nanobiosensors | |
| Li et al. | Optical fiber SPR biosensor based on gold nanoparticle amplification for DNA hybridization detection | |
| Li et al. | Gold nanoparticle amplified optical microfiber evanescent wave absorption biosensor for cancer biomarker detection in serum | |
| Gruhl et al. | Biosensors for diagnostic applications | |
| Chen et al. | Surface plasmon resonance (SPR) combined technology: A powerful tool for investigating interface phenomena | |
| Huo et al. | Nanopore-based electrochemiluminescence for detection of microRNAs via duplex-specific nuclease-assisted target recycling | |
| Wang et al. | Application of microfluidics in biosensors | |
| Singhal et al. | Recent advances in nano-bio-sensing fabrication technology for the detection of oral cancer | |
| Dey et al. | Single-molecule optical biosensing: recent advances and future challenges | |
| Ramalingam et al. | Impact of nanotechnology on conventional and artificial intelligence-based biosensing strategies for the detection of viruses | |
| Nie et al. | A portable pencil-like immunosensor for point-of-care testing of inflammatory biomarkers | |
| Chen et al. | Near-infrared surface plasmon resonance sensor with a graphene-gold surface architecture for ultra-sensitive biodetection | |
| Nie et al. | Immunoassays using optical-fiber sensor with all-directional chemiluminescent collection | |
| Gopinath et al. | Nanoelectronics in biosensing applications | |
| CN114371208A (zh) | 生物传感器制作、检测方法、生物传感器及光电磁系统 | |
| Yerrapragada et al. | Interferon-Γ Detection in point of care diagnostics: short review | |
| Kumar et al. | Review on biosensors: fundamentals, classifications, characteristics, simulations, and potential applications | |
| Li et al. | Edge-enhanced microwell immunoassay for highly sensitive protein detection | |
| Du et al. | Electrochemical Biosensors and the Signaling |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |