CN115616057A - 提高基于适配体的场效应晶体管生物传感器性能的方法 - Google Patents

提高基于适配体的场效应晶体管生物传感器性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种提高适配体场效应晶体管生物传感器性能的方法，包括：获取基于适配体的场效应晶体管生物传感器的转移特性曲线，获取其亚阈值区间；获取场效应晶体管生物传感器修饰的适配体在溶液环境中所带电荷极性；结合亚阈值区间以及适配体的电荷极性，得到一个与适配体电荷极性相反的第一电压区间，且第一电压区间位于亚阈值区间范围内；将场效应晶体管生物传感器的液栅栅压偏置在第一电压区间内，检测溶液内的待测对象。通过本发明的方法，可得到一个合适的电压范围，当传感器的液栅偏置在该电压范围内时，场效应晶体管生物传感器上面所修饰的适配体将会垂直于沟道表面，因此适配体的体积得以增加，进而能够提高适配体和待测物的结合效率，最终使得传感器具备更低的检测下限和更高的检测灵敏度，提升传感器的检测性能。

Description

提高基于适配体的场效应晶体管生物传感器性能的方法
技术领域
本发明涉及生物传感器技术领域，尤其是基于适配体的生物传感器，具体而言涉及一种提高基于适配体的场效应晶体管生物传感器性能的方法。
背景技术
生物传感器是一种对生物分子敏感并能将其浓度信息转换为电信号的检测器件，作为人类感官的延伸，被应用于医学、航天科学以及日常生活当中，可用来定量或定性的检测一些人们关注的与疾病相关的生物标志物分子，例如蛋白质、抗体、抗原、生物酶、病毒、DNA和RNA等，输出为电信号，通过对电信号的表征和分析，可以帮助人们了解和评估自身的身体状况。
现有的生物传感器主要包括电化学型生物传感器、光学型生物传感器以及场效应晶体管型生物传感器。电化学型生物传感器以电极作为转换元件和固定载体，将生物敏感物质，如抗原、抗体、酶、激素、病毒等，或者生物本身作为敏感元件固定在电极上，通过生物分子之间的特异性识别作用，将目标分子与其反应的信号转化成电信号，如电容、电流、电位、电导率等，从而实现对目标分析物的定性或定量检测。结合生物反应的特异性和电化学的分析方法，为生物样品的检测提供了强有力的手段。但电化学型生物传感器的响应特性为线性的，不具备电流放大功能，导致传感器的检测下限较高，传感器的检测动态范围和检测响应小，灵敏度低，无法用于检测人体当中含量极低的生物标志物，限制了电化学型生物传感器的应用场景。且电化学型生物传感器为了获得更大的灵敏度，其电极通常比较大，不符合小型化与集成化的发展趋势。而光学型生物传感器不仅不符合未来传感器小型化、集成化的需求，并且其检测下限和灵敏度不理想，制作成本高，检测设备复杂，需要专业的人士进行操作使用，也限制它的发展。
场效应晶体管型生物传感器相较传统的电化学生物传感器和光学生物传感器来说，由于场效应晶体管的电压放大作用使得传感器对微弱的电压信号变化在输出电流上就能表现出指数级的放大，因此传感器适用于浓度极低的检测环境，同时具备更高的检测灵敏度。由于传感器具备更低的检测下限，因此传感器的动态检测范围也将更大。虽然场效应晶体管型生物传感器相较传统的生物传感器来说具备灵敏度高、检测下限低等优点，但是当用其检测含量更低的DNA、RNA以及病毒等目标分子时，其检测性能仍然有待提高，特别是当目标物分子的浓度达到aM级别时，普通的场效应晶体管型生物传感器就检测不到了。究其原因，主要是由于传感器表面修饰的识别分子等并不是处于理想状态，比如都是垂直于传感器沟道表面的，更多的可能是连接分子或者识别分子是倾斜的固定在沟道表面，甚至倒伏在沟道表面，因此导致传感器识别分子的有效体积小于理论值，从而使得传感器捕获待测物的效率大大减小；此外，由于部分识别分子倒伏在沟道表面，所以处于待测溶液当中的其他带电分子也可以更加接近沟道表面，对传感器沟道电流造成干扰。最终使得场效应晶体管生物传感器的检测下限和检测灵敏度不理想。
发明内容
本发明目的在于提供一种提高基于适配体的场效应晶体管生物传感器性能的方法，通过把传感器的液栅栅压(Vgs)偏置在预设的电压区间内，来提高基于适配体的场效应晶体管生物传感器的检测响应。
根据本发明目的的第一方面，提出一种提高基于适配体的场效应晶体管生物传感器性能的方法，包括：
获取基于适配体的场效应晶体管生物传感器的转移特性曲线，获取其亚阈值区间；
获取场效应晶体管生物传感器修饰的适配体在溶液环境中所带的电荷极性；
结合所述亚阈值区间以及适配体在溶液环境中所带电荷极性，在亚阈值区间范围内得到一个第一电压区间，所述第一电压区间为极性与适配体在溶液环境中所带电荷极性相反的电压区间；以及将场效应晶体管生物传感器的液栅栅压(Vgs)偏置在所述第一电压区间内，检测溶液内的待测对象。
其中的一个实施例中，根据场效应晶体管生物传感器修饰的适配体的等电点，确定场效应晶体管生物传感器修饰的适配体在溶液环境中所带电荷极性。
其中的一个实施例中，所述第一电压区间的范围较之于所述亚阈值区间，具有更窄的电压范围，并且为单一极性。
根据本发明目的的第二方面，提出一种基于适配体的场效应晶体管生物传感器检测目标溶液内的待测物的方法，在检测过程中，将基于适配体的场效应晶体管生物传感器的液栅栅压(Vgs)偏置在预设电压区间内，以获得检测输出；
其中，所述预设电压区间为一个极性与适配体在所述溶液环境中所带电荷极性相反的电压区间，其中，所述预设电压区间为比基于适配体的场效应晶体管生物传感器的亚阈值区域更窄的电压区间，并且为单一极性。
其中的一个实施例中，所述预设电压区间被配置为预先确定，预先确定方式如下：
获取基于适配体的场效应晶体管生物传感器的转移特性曲线，获取其亚阈值区间；
根据场效应晶体管生物传感器修饰的适配体的等电点，确定场效应晶体管生物传感器修饰的适配体在溶液环境中所带电荷极性；
结合亚阈值区间以及适配体在溶液环境中所带电荷极性，得到第一电压区间，以该第一电压区间作为预设电压区间，其中，第一电压区间为极性与适配体在溶液环境中所带电荷极性相反的电压区间。
其中的一个实施例中，前述基于适配体的场效应晶体管生物传感器为用于检测葡萄糖、蛋白质、抗体、抗原、生物酶、病毒、DNA和RNA中的一种的场效应晶体管生物传感器。
由以上本发明提出的提高基于适配体的场效应晶体管生物传感器性能的方法，通过应用一个极性与适配体所带电荷极性相反的液栅栅压来产生电场，从而调整场效应晶体管沟道表面的适配体形状，使得场效应晶体管传感器上的适配体更加垂直于沟道表面，增大适配体的有效体积，提升传感器捕获待测物的效率和能力，使得传感器能够在相同浓度的待测物中捕获更多的待测物，最终提升传感器的检测响应。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是根据本发明的实施例的提高基于适配体的场效应晶体管生物传感器性能的方法的示意图；
图2是根据本发明的实施例的亚阈值区间的示意图；
图3a-3b是根据本发明的实施例将液栅栅压偏置在第一电压区间内时，场效应晶体管生物传感器表面修饰的适配体形状示意图以及其捕获待测对象的示意图。
图4a-4b是根据本发明的实施例将液栅栅压偏置在亚阈值区间但不在第一电压区间内时，场效应晶体管生物传感器表面修饰的适配体形状示意图以及其捕获待测对象的示意图。
图5是根据本发明的实施例制备的一个基于碳纳米管的场效应晶体管生物传感器的结构示意图，在其沟道表面通过金硫键修饰了葡萄糖适配体。
图6是根据本发明的实施例的基于碳纳米管的场效应晶体管生物传感器制备工艺流程图。
图7是根据本发明的实施例的葡萄糖适配体的结构示意图。
图8是根据本发明的实施例制备的基于碳纳米管的场效应晶体管生物传感器在施加不同的液栅栅压情况下，测试得到的响应—浓度曲线图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不局限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图1所示实施例的提高基于适配体的场效应晶体管生物传感器性能的方法，其包括以下过程：
S101：获取基于适配体的场效应晶体管生物传感器的扫描转移特性曲线，获取其亚阈值区间；
S102：获取场效应晶体管生物传感器修饰的适配体在溶液环境中所带电荷极性；
S103：结合所述亚阈值区间以及适配体在溶液环境中所带电荷极性，确定预设的第一电压区间；前述第一电压区间为极性与适配体在溶液环境中所带电荷极性相反的电压区间；以及
S104：将场效应晶体管生物传感器的液栅栅压(Vgs)偏置在前述的第一电压区间内，检测溶液内的待测对象。
其中，根据场效应晶体管生物传感器修饰适配体的等电点，确定场效应晶体管生物传感器修饰的适配体在溶液环境中所带电荷极性。
例如图2所示为一个基于适配体的场效应晶体管生物传感器转移特性曲线，其中灰色区域标注的区间为亚阈值区间，其电压范围为[-0.1,0.1]之间。应当理解，在该亚阈值区间范围内，源漏电流Ids随着栅压Vgs的增大而指数增加，因此若把传感器的液栅偏置在此区间范围内，传感器可获得更低的检测下限和更大的检测灵敏度。
结合图2所示，根据本发明的实施例，例如以适配体在待测溶液环境下带负电荷为例，则据此确定第一电压区间为[0,0.1]，即舍弃[-0.1,0]的这一段电压区间，选择极性与适配体在溶液环境中所带电荷极性相反的电压区间，即图2中所表示的区间1。
当然，如果适配体在待测溶液环境下带正电荷，则同样基于极性与适配体在溶液环境中所带电荷极性相反的原则，确定第一电压区间。
因此，在本发明的实施例中，第一电压区间的范围较之于亚阈值区间来说，具有更窄的电压范围，并且为单一极性。
结合图3a-3b所示，分别表示了将液栅栅压Vgs偏置在第一电压区间内时，场效应晶体管生物传感器表面修饰的适配体形状示意图以及其捕获待测分子的示意图。如图3a所表示的，当液栅栅压偏置在第一电压区间内时，场效应晶体管生物传感器沟道表面修饰的适配体形状相比液栅栅压偏置非第一电压区间内时(结合图4a)，将更加趋向垂直于沟道表面，适配体的体积明显增加，因此，结合图3b所示的示例中，适配体能够捕获更多待测分子(相比图4b所示的捕获结果)。
在本发明的图3a-3b以及图4a-4b中，使用了相同溶度的待测液溶液。
结合图3a-3b以及图4a-4b所示，当基于适配体的场效应晶体管生物传感器表面的适配体体积增加时，适配体与待测物进行特异性结合的概率增加，因此传感器表面的适配体在同等待测物浓度条件下，将能够捕获更多的待测物数目，由此实现基于适配体的场效应晶体管生物传感器的检测灵敏度的有效提升。
如图5所示为根据本发明的实施例的基于碳纳米管的场效应晶体管生物传感器的结构设计，其使用网络状碳纳米管(CNT)作为沟道层，在沟道表面通过金硫键修饰了葡萄糖适配体，如图7所示为葡萄糖适配体的结构示意图，其适配体序列为HS-C6-ACG ACC GTGTGT GTT GCT CTG TAA CAG TGT CCA TTG TCG T。
图6示例性地表示了通过微纳加工工艺制备基于碳纳米管的场效应晶体管生物传感器的流程，其中硅/二氧化硅(Si/SiO2)作为基底；CNT film为网络状的碳纳米管薄膜；源漏极(Contact layer)均为Ti/Pd/Au；绝缘层(Dielectric)为氧化钇，用于得到性能更好的浮栅型场效应晶体管生物传感器。Linker为金纳米颗粒，利用电子束镀膜仪制备得到；钝化层(Passivation layer)为S1813胶，用于钝化器件。
结合图5、6所示的示例，所制备的基于碳纳米管的场效应晶体管生物传感器，其尺寸可根据设计需要来确定。图示的示例中，网状的碳纳米管薄膜采用单层network碳管，厚度在2nm以下。绝缘层氧化钇的厚度在5-6nm左右。源漏极均为Ti/Pd/Au，厚度为0.3/30/40nm。金纳米颗粒的粒径大约等于0.6nm。钝化层的厚度在1微米左右。
在本发明的实施例中，按照图1所示的示例的提高基于适配体的场效应晶体管生物传感器性能的方法，首先确定出场效应晶体管生物传感器的亚阈值区间，在[-0.1,0.1]之间。然后结合适配体的等电点，确定场效应晶体管生物传感器修饰的适配体在溶液环境中所带电荷极性，为负极，据此确定第一电压区间，在[0,0.1]之间。
在检测过程中，将图5所示的基于适配体的场效应晶体管生物传感器的液栅栅压Vgs偏置在第一电压区间内，在[0,0.1]之间，以获得检测输出。
结合前述实施例，预设电压区间为一个极性与适配体在溶液环境中所带电荷极性相反的电压区间。并且，预设电压区间为具有比基于适配体的场效应晶体管生物传感器的亚阈值区域更窄的电压范围，并且为单一极性。
结合图8所示的测试对比结果，其中所用的葡萄糖适配体在测试溶液环境中带负电，亚阈值范围为-0.1～0.1V；由此，确定第一电压区间的电压范围为0～0.1V。
结合图8所示，将传感器液栅栅压Vgs偏置在亚阈值区间但不属于区间1内，以Vgs＝-0.05V为例，传感器对各浓度葡萄糖分子的检测响应如图8中的圆圈所示。
结合图8所示，将传感器液栅栅压Vgs偏置在区间1以内，以Vgs＝0.05V为例，传感器对各浓度葡萄糖分子的检测响应如图8中的五边形所示。
结合图8所示的传感器偏置在不同液栅栅压情况下对葡萄糖检测的响应—浓度曲线，传感器液栅栅压Vgs偏置在区间1以内所获得的检测灵敏度远高于偏置在非区间1以内的灵敏度，这是由于通过本发明的方法，把传感器偏置在了一个合适的液栅栅压下，使得适配体更加趋向于垂直于沟道表面，相比倾斜或者倒伏的适配体来说，本发明的方法能够使得传感器获得更大的适配体体积，从而提升了传感器捕获待测物的效率，最终提升了传感器的检测响应。由此可见通过把本发明的方法应用于传感器的检测当中，可以显著的提高传感器的响应特性。
此外，利用基于适配体的碳纳米管场效应晶体管葡萄糖生物传感器相比电化学葡萄糖传感器来说，其动态范围更宽，可以做到对1nM到10mM区间内任意葡萄糖浓度的检测，适用于汗液、唾液、泪液和血液等环境中的葡萄糖浓度的检测。并且由于本发明对传感器性能的提升，传感器对葡萄糖的检测下限可以低至1fM。
前述示例中以碳纳米管场效应晶体管葡萄糖生物传感器为例来说明本发明的实施，应当理解，本发明前述实施例的提高基于适配体的场效应晶体管生物传感器性能的方法，可适用于所有的基于适配体的场效应晶体管生物传感器，而不限于碳纳米管场效应晶体管生物传感器。
基于适配体的场效应晶体管生物传感器，是在场效应晶体管的沟道表面上修饰适配体，用来检测溶液内的待检物，沟道层可采用硅、石墨烯和二硫化钼等材料，不限于碳纳米管。在应用本发明的方法来提高基于适配体的场效应晶体管生物传感器的检测灵敏度时，可通过将基于适配体的场效应晶体管生物传感器的液栅栅压Vgs偏置在预设电压区间内，然后用来检测溶液内的待检物，提高传感器对待检物的捕获效率，最终提高传感器的检测响应和增大传感器的动态检测范围。
通过本发明的实施，相对于传统的电化学传感器以及普通的场效应晶体管生物传感器的检测过程来说，可实现nM级的检测，在1nM到10mM区间内实现有效的检出，并同时提高了传感器的检测灵敏度。
在可选的实施例中，如前述的，对于任意基于适配体的场效应晶体管生物传感器来说，在检测时所施加的液栅栅压可通过预先配置和确定，例如按照前述的方法来确定第一电压区间作为预设的电压区间。
在本发明的实施例中，基于适配体的场效应晶体管生物传感器可以被配置为用于检测细胞、微生物等待检测对象，例如用于检测葡萄糖、蛋白质、抗体、抗原、生物酶、病毒、DNA或者RNA等。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种提高适配体场效应晶体管生物传感器性能的方法，其特征在于，包括：
获取基于适配体场效应晶体管生物传感器的转移特性曲线，获取其亚阈值区间；
获取场效应晶体管生物传感器修饰的适配体在溶液环境中所带电荷极性；
结合所述亚阈值区间以及适配体在溶液环境中所带电荷极性，得到第一电压区间，且该第一电压区间位于亚阈值区间范围内，所述第一电压区间为极性与适配体在溶液环境中所带电荷极性相反的电压区间；以及
将场效应晶体管生物传感器的液栅栅压偏置在所述第一电压区间内，检测溶液当中的待测对象。
2.根据权利要求1所述的提高适配体场效应晶体管生物传感器性能的方法，其特征在于，所述获取场效应晶体管生物传感器修饰的适配体在溶液环境中所带电荷极性，包括：
根据场效应晶体管生物传感器修饰的适配体等电点，确定场效应晶体管生物传感器修饰的适配体在溶液环境中所带电荷极性。
3.根据权利要求1所述的提高适配体场效应晶体管生物传感器性能的方法，其特征在于，所述第一电压区间为极性与适配体在溶液环境中所带电荷极性相反的电压区间。
4.根据权利要求1所述的提高适配体场效应晶体管生物传感器性能的方法，其特征在于，所述基于适配体的场效应晶体管生物传感器为基于碳纳米管的场效应晶体管生物传感器，其沟道层为碳纳米管沟道层。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的提高适配体场效应晶体管生物传感器性能的方法，其特征在于，所述基于适配体的场效应晶体管生物传感器的液栅栅压被偏置在第一电压区间时，场效应晶体管生物传感器沟道层表面修饰的适配体的形状垂直于沟道表面。
6.一种利用基于适配体的场效应晶体管生物传感器检测待测溶液内的待测对象的方法，其特征在于，在检测过程中，将基于适配体的场效应晶体管生物传感器的液栅栅压偏置在预设第一电压区间内，以获得检测输出；
其中，所述预设第一电压区间为一个极性与适配体在所述溶液环境中所带电荷极性相反的电压区间，其中，所述预设电压区间为单一极性。
7.根据权利要求6所述的利用基于适配体的场效应晶体管生物传感器检测待测溶液内的待测对象的方法，其特征在于，所述预设第一电压区间被配置为预先确定，预先确定方式如下：
获取基于适配体的场效应晶体管生物传感器的扫描转移特性曲线，获取其亚阈值区间；
根据场效应晶体管生物传感器修饰的适配体的等电点，确定场效应晶体管生物传感器修饰的适配体在溶液环境中所带电荷极性；
结合亚阈值区间以及适配体在溶液环境中所带电荷极性，得到第一电压区间，且第一电压区间位于亚阈值区间范围内，以该第一电压区间作为预设电压区间，其中，第一电压区间为极性与适配体在溶液环境中所带电荷极性相反的电压区间。
8.根据权利要求6所述的利用基于适配体的场效应晶体管生物传感器检测待测溶液内的待测对象的方法，其特征在于，所述基于适配体的场效应晶体管生物传感器为基于碳纳米管的场效应晶体管生物传感器，其沟道层为碳纳米管沟道层。
9.根据权利要求6所述的利用基于适配体的场效应晶体管生物传感器检测待测溶液内的待测对象的方法，其特征在于，所述基于适配体的场效应晶体管生物传感器为用于检测葡萄糖、蛋白质、抗体、抗原、生物酶、病毒、DNA和RNA中的一种的场效应晶体管生物传感器。
10.根据权利要求6所述的利用基于适配体的场效应晶体管生物传感器检测待测溶液内的待测对象的方法，其特征在于，在检测过程中，所述基于适配体的场效应晶体管生物传感器的液栅栅压(Vgs)在被施加在所述第一电压区间内时，在场效应晶体管生物传感器沟道表面修饰的适配体的形状将垂直于沟道表面。
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