CN115791933A - 一种基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生化传感器领域，公开了一种基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器及其应用。本发明生化传感器包括衬底、场效应晶体管、敏感电极和参比电极。其中敏感电极以外延栅极形式与场效应晶体管栅极电连接。敏感电极包括导电基底以及依次修饰于导电基底表面的有序介孔碳层，过氧化氢催化剂和氧化还原酶。本发明敏感电极以外延栅极形式存在，便于更换，可针对不同待检测物来选择合适的氧化还原酶，使得生化传感器能够实现对多种具有高氧化还原电位的分析物的高灵敏度检测；由于在检测时只有作为外延栅极的敏感电极以及参比电极与待检液接触，而场效应晶体管不与待检液接触，因此可降低溶液对场效应晶体管性能的影响、提高器件稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及生化传感器领域，尤其涉及一种基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器及其应用。
背景技术
人体各类体液（血液、汗液、唾液、尿液、组织液等）中的生化小分子，如葡萄糖、尿酸、乳酸、胆固醇等，其浓度高低与人的身体健康与否有着密切关系。因而，这些分子的准确检测对于监测人体健康状态和诊断时提供依据具有重要意义。
目前常用的检测方法包括色谱法、电化学方法等，这些方法依赖于笨重的检测设备，无法实现快速便捷的即时检测。而基于晶体管的电化学传感器件以其高检测灵敏度、易于集成的特性而具有极佳的研究前景。
现有的基于晶体管的电化学传感器件，其检出能力依赖于对分析物具有敏感性能的栅电极或溶液栅极。因此，晶体管的固有特性对这种检测能力造成了一定约束。其一，不同分子的氧化还原电位不同，由于晶体管栅源回路中的各界面电容差异，栅极和溶液界面很难达到反应所需要的电位。因此，其可检测物的种类有限，一般只包括低氧化还原电位的抗坏血酸、多巴胺、过氧化氢等；其二，晶体管的顶栅与溶液直接接触，这对晶体管在溶液中的防水性能有很大要求，封装不严格的器件很容易受到水分的破坏，对检测结果产生影响。
因此，研究新型的基于场效应晶体管的生化传感器件，以实现对多种具有高氧化还原电位的分析物的高灵敏度检测，并且降低溶液对晶体管性能的影响、提高器件稳定性，是一项亟待解决的难题。
发明内容
为了解决上述技术问题，首先，本发明提供了一种基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器；其次，本发明提供了一种生化小分子检测系统及检测方法。本发明的生化传感器设有以外延栅极形式存在的敏感电极，该设计的优点在于：一方面，由于该敏感电极以外延栅极形式存在，因此便于更换，可针对不同待检测物来选择合适的氧化还原酶种类，普适性强，使得本发明生化传感器能够实现对多种具有高氧化还原电位的分析物的高灵敏度检测；另一方面，由于在检测时只有作为外延栅极的敏感电极以及参比电极与待检液接触，而场效应晶体管不与待检液接触，因此可降低溶液对场效应晶体管性能的影响、提高器件稳定性。
本发明的具体技术方案为：
第一方面，本发明提供了一种基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器，包括：
衬底；所述衬底根据场效应晶体管和敏感电极的形式，有多种选择，可以是但不限于硅衬底、钙钠玻璃、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）等柔性衬底等；
场效应晶体管；所述场效应晶体管固定于衬底表面，包括漏极、栅极和源极；所述场效应晶体管可以是但不限于单晶硅场效应晶体管、低温多晶硅场效应晶体管、氧化物场效应晶体管、有机场效应晶体管等；
敏感电极，所述敏感电极作为外延栅极固定于衬底表面，与场效应晶体管的栅极电连接；在检测时敏感电极浸置在待检测溶液之中对待测物敏感的电极，根据敏感电极的形式，敏感电极连接到场效应晶体管栅极的方式包括：应用于平面型导电基底的在衬底表面直接走线相连接和应用于纤维状导电基底的纤维和栅极暴露部分银浆连接。敏感电极包括：
导电基底；
有序介孔碳层，所述有序介孔碳层覆盖于所述导电基底表面；
过氧化氢催化剂，所述过氧化氢催化剂负载于所述有序介孔碳层的孔隙之中，其用于催化酶反应的产物过氧化氢，将过氧化氢氧化后的电子转移到有序介孔碳层和导电基底上；
氧化还原酶，所述氧化还原酶负载于所述有序介孔碳层的孔隙之中，其用于选择性催化底物为过氧化氢，以实现将对于各种待测物的检测转化为对过氧化氢的检测。
参比电极，所述参比电极固定于衬底表面。参比电极在检测时浸置在待检测溶液之中保持稳定电势，它与敏感电极一起构成了场效应晶体管栅源之间的溶液电势回路部分。场效应晶体管的栅源电压通过参比电极端的偏置电压来调节。参比电极可以是但不限于银/氯化银参比电极、汞/氯化汞参比电极、标准氢电极、金电极等，对应于敏感电极的形式。参比电极也可以按需制成纤维状或平面型。
由上可知，本发明的生化传感器主要包括衬底、场效应晶体管、敏感电极和参比电极。具体地，本发明敏感电极的导电基底上覆盖有有序介孔碳层，过氧化氢催化剂、氧化还原酶负载于有序介孔碳层中。氧化还原酶在氧气的作用下可以将待测物氧化并产生过氧化氢，过氧化氢扩散到过氧化氢催化剂表面，被氧化成氧气，同时将产生的电子转移到覆盖有有序介孔碳层上，由于介孔碳良好的导电性，电子被进一步传输到导电基底上。该敏感电极以外延栅极形式存在，其表面固定的过氧化氢催化剂和氧化还原酶可将待检溶液中待测物的浓度信息转化为电极和溶液界面的电势变化，而参比电极与溶液的电势差保持不变，场效应晶体管将栅极与沟道间的电压降信息转化为输出的漏电流。上述结构设计的优势在于：（1）由于该敏感电极以外延栅极形式存在，因此便于更换，可针对不同待检测物来选择合适的氧化还原酶种类，普适性强，使得本发明生化传感器能够实现对多种具有高氧化还原电位的分析物的高灵敏度检测；（2）由于在检测时只有作为外延栅极的敏感电极以及参比电极与待检液接触，而场效应晶体管不与待检液接触，因此可降低溶液对场效应晶体管性能的影响、提高器件稳定性。
作为优选，所述基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器还包括仅暴露敏感栅极和参比电极区域的封装层。进一步地，所述封装层材料可以是但不限于聚乙烯。
封装层起到保护作用，可以减少待测溶液对器件的影响。
作为优选，所述敏感电极中：所述有序介孔碳层的孔径为5-20 nm。所述过氧化氢催化剂的颗粒尺寸小于5 nm。所述氧化还原酶的尺寸小于20 nm。
本发明有序介孔碳层的优点除了导电性好以外，其还能够显著增加电极的比表面积，使得电极可以负载更多的催化剂；对于负载酶而言，有序介孔碳还提供了酶负载的限域空间，使得酶的负载更加稳定。
进一步地，本发明团队通过研究发现，具有上述孔径尺寸的有序介孔碳层既可以实现电子从过氧化氢催化剂到导电基底的转移，也可以实现过氧化氢催化剂和氧化还原酶的限域负载。若孔径过小，则无法实现过氧化氢催化剂和氧化还原酶的负载；若过孔径过大， 则会导致孔洞中吸附多个酶分子，降低催化效率。
作为优选，所述导电基底为纤维状导电基底或平面型导电基底；纤维状导电基底可以是但不限于碳纤维电极、碳纳米管纤维电极等；平面型导电基底可以是但不限于金电极、银电极、氧化铟锡电极等。
作为优选，所述过氧化氢催化剂可以是但不限于铂、金等贵金属纳米颗粒、普鲁士蓝纳米颗粒等。
作为优选，所述氧化还原酶可以是但不限于催化葡萄糖的葡萄糖氧化酶、催化尿酸的尿酸氧化酶、催化胆固醇的胆固醇氧化酶、催化乳酸的乳酸氧化酶等。
作为进一步优选，对于纤维状导电基底，所述有序介孔碳层由有序介孔碳材料在纤维状导电基底表面通过水热反应原位生长后再高温煅烧形成；对于平面型导电基底，所述有序介孔碳层由有序介孔碳材料悬浮液滴涂在平面型导电基底之上后形成。
作为优选，所述敏感电极的制备方法包括以下步骤：
步骤一，在导电基底表面修饰有序介孔碳层。
步骤二，在有序介孔碳层表面修饰过氧化氢催化剂。
步骤三，在修饰有过氧化氢催化剂的有序介孔碳层表面继续修饰氧化还原酶；氧化还原酶的修饰方法为利用有序介孔碳层的限域作用物理吸附或氧化还原酶与有序介孔碳层之间的化学吸附。
作为进一步优选，步骤一中：
对于纤维状导电基底，直接将有机小分子/表面活性剂组成的单胶束通过界面组装的方式修饰生长在纤维状导电基底表面，煅烧后形成有序介孔碳层。
对于平面型导电基底，将预先制备好的有序介孔碳材料悬浮液直接滴加覆盖于平面型导电基底表面，干燥后形成有序介孔碳层，面质量密度在1-3 μg/mm2。
更为具体地，对于采用纤维状导电基底的敏感电极，其制备方法包括以下步骤：
步骤A：分别制备低阶酚醛树脂溶液和三嵌段共聚物溶液，然后低阶酚醛树脂溶液与三嵌段共聚物溶液混合，加热搅拌，得到球形胶束溶液。
步骤B：取上述球形胶束溶液，加水稀释，同时将纤维状导电基底浸渍于所得溶液中，水热反应，得到表面生长有有序胶束的纤维状导电基底。
步骤C：将表面生长有有序胶束的纤维状导电基底在惰性气体氛围下煅烧，得到表面修饰有有序介孔碳层的纤维状导电基底。
步骤D：配制过氧化氢催化剂的前驱体溶液，将表面修饰有有序介孔碳层的纤维状导电基底浸渍于在前驱体溶液中，然后添加还原剂，还原反应后，得到负载有过氧化氢催化剂的纤维状导电基底。
步骤E：将负载有过氧化氢催化剂的纤维状导电基底浸渍于氧化还原酶溶液中，静置，取出，制得敏感电极。
第二方面，本发明提供了一种生化小分子检测系统，包括：
基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器；
电压偏置和电流读取单元；所述电压偏置和电流读取单元与所述生化传感器电连接，用于给生化传感器供电和读取输出漏电流；
信号处理单元；所述信号处理单元与电压偏置和电流读取单元电连接，用于对读取的漏电流信号进行分析，转化为待测物的浓度信息。
第三方面，本发明提供了一种生化小分子检测方法，采用上述的生化小分子检测系统对待测物进行检测。当检测时，将敏感电极和参比电极浸置在待检测溶液中，在参比电极端设置恒定的偏置电压来控制场效应晶体管的栅电压，同时设置恒定的源漏电压。敏感电极与溶液充分接触之后，因为酶分子对特定待分析物催化产生过氧化氢，而负载有过氧化氢催化剂的电极表面电位受到过氧化氢浓度的影响，所以在敏感电极与溶液界面处的电压降间接受到目标分子浓度的影响，这样，在固定栅源电压的情况下，晶体管栅电极和沟道处的电压降也受到待分析溶液中目标分子的浓度影响。根据晶体管的跨导特性，输出的漏电流与待分析溶液中目标分子的浓度具有相关性。因此，可以根据漏电流大小来判读溶液中目标分子的浓度。
作为优选，为了提高器件的灵敏度，所述场效应晶体管的工作区域优选为亚阈值区。因此，需要先在没有目标生物分子的溶液中扫描转移特性曲线，然后再选择合适的栅源工作电压使场效应晶体管工作在亚阈值区域。
作为优选，为了将读出漏电流值转换为溶液中目标分子的浓度，需要预先测量晶体管器件在不同目标分子浓度的溶液中的电流值作为校准曲线。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：
（1）本发明生化传感器中的敏感电极以外延栅极形式存在，因此便于更换，可针对不同待检测物来选择合适的氧化还原酶种类，普适性强，使得本发明生化传感器能够实现对多种具有高氧化还原电位的分析物的高灵敏度检测。
（2）本发明的生化传感器在检测时，只有作为外延栅极的敏感电极以及参比电极与待测液接触，而场效应晶体管不与待检液接触，因此可避免沟道层和待测液的接触，提高了场效应晶体管的稳定性和可重复利用性，也使得检测精度更高。
（3）本发明的敏感电极可通过溶液法/印刷工艺加工，成本低，可定制性强。
附图说明
图1是本发明实施例1中纤维状葡萄糖敏感电极的制备流程示意图；
图2是本发明实施例1中制得的纤维状葡萄糖敏感电极的扫描电镜图；
图3是本发明实施例2中生化传感器的结构示意图；
图4是本发明实施例3中生化传感器的结构示意图；
图5是本发明实施例4中生化小分子检测系统的结构示意图；
图6是本发明实施例5中生化小分子检测方法的流程图；
图7是本发明实施例5中输出电流与葡萄糖浓度的校准曲线。
附图标记为：衬底1，场效应晶体管2，纤维状葡萄糖敏感电极3，纤维状参比电极4，封装层5，银浆6，铜电极7，平面型参比电极8，平面型葡萄糖敏感电极9，平面金电极10，敏感电极11，参比电极12，电压偏置和电流读取单元13，信号处理单元14，聚合物槽15，漏极21、栅极22、源极23，敏感电极碳纤维31，有序介孔碳层32，铂纳米颗粒33，葡萄糖氧化酶34，参比电极碳纤维41，银/氯化银层42，含有饱和氯化钠的聚乙烯醇缩丁醛层43。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
总实施例
一种基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器，包括：
衬底；所述衬底根据场效应晶体管和敏感电极的形式，有多种选择，可以是但不限于硅衬底、钙钠玻璃、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）等柔性衬底等；
场效应晶体管；所述场效应晶体管固定于衬底表面，包括漏极、栅极和源极；所述场效应晶体管可以是但不限于单晶硅场效应晶体管、低温多晶硅场效应晶体管、氧化物场效应晶体管、有机场效应晶体管等；
敏感电极，所述敏感电极作为外延栅极固定于衬底表面，与场效应晶体管的栅极电连接；在检测时敏感电极浸置在待检测溶液之中对待测物敏感的电极，根据敏感电极的形式，敏感电极连接到场效应晶体管栅极的方式包括：应用于平面型导电基底的在衬底表面直接走线相连接和应用于纤维状导电基底的纤维和栅极暴露部分银浆连接；
敏感电极包括：
导电基底；
有序介孔碳层，所述有序介孔碳层覆盖于所述导电基底表面；用于提供酶物理吸附的限域空间；过氧化氢催化剂，所述过氧化氢催化剂负载于所述有序介孔碳层的孔隙之中，其用于催化酶反应的产物过氧化氢，将过氧化氢氧化后的电子转移到有序介孔碳层和导电基底上；
氧化还原酶，所述氧化还原酶负载于所述有序介孔碳层的孔隙之中，其用于选择性催化底物为过氧化氢，以实现将对于各种待测物的检测转化为对过氧化氢的检测。
参比电极，所述参比电极固定于衬底表面。在检测时浸置在待检测溶液之中保持稳定电势，它与敏感电极一起构成了场效应晶体管栅源之间的溶液电势回路部分。场效应晶体管的栅源电压通过参比电极端的偏置电压来调节。参比电极可以是但不限于银/氯化银参比电极、汞/氯化汞参比电极、标准氢电极、金电极等，对应于外延栅极的形式。参比电极也可以按需制成纤维状或平面型。
作为优选，所述基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器还包括仅暴露敏感栅极和参比电极区域的封装层。进一步地，所述封装层材料可以是但不限于聚乙烯。
作为优选，所述敏感电极中：所述有序介孔碳层的孔径为5-20 nm；所述过氧化氢催化剂的颗粒尺寸小于5 nm；所述氧化还原酶的尺寸小于20 nm。
作为优选，所述导电基底为纤维状导电基底或平面型导电基底；纤维状导电基底可以是但不限于碳纤维电极、碳纳米管纤维电极等；平面型导电基底可以是但不限于金电极、银电极、氧化铟锡电极等。所述过氧化氢催化剂可以是但不限于铂、金等贵金属纳米颗粒、普鲁士蓝纳米颗粒等。所述氧化还原酶可以是但不限于催化葡萄糖的葡萄糖氧化酶、催化尿酸的尿酸氧化酶、催化胆固醇的胆固醇氧化酶、催化乳酸的乳酸氧化酶等。
作为进一步优选，对于纤维状导电基底，所述有序介孔碳层由有序介孔碳材料在纤维状导电基底表面通过水热反应原位生长后再高温煅烧形成；对于平面型导电基底，所述有序介孔碳层由有序介孔碳材料悬浮液滴涂在平面型导电基底之上后形成。
作为优选，所述敏感电极的制备方法包括以下步骤：
步骤一，在导电基底表面修饰有序介孔碳层。
步骤二，在有序介孔碳层表面修饰过氧化氢催化剂。
步骤三，在修饰有过氧化氢催化剂的有序介孔碳层表面继续修饰氧化还原酶；氧化还原酶的修饰方法为利用有序介孔碳层的限域作用物理吸附或氧化还原酶与有序介孔碳层之间的化学吸附。
作为进一步优选，步骤一中：
对于纤维状导电基底，直接将有机小分子/表面活性剂组成的单胶束通过界面组装的方式修饰生长在纤维状导电基底表面，煅烧后形成有序介孔碳层。
对于平面型导电基底，将预先制备好的有序介孔碳材料悬浮液直接滴加覆盖于平面型导电基底表面，干燥后形成有序介孔碳层，面质量密度在1-3 μg/mm2。
更为具体地，对于采用纤维状导电基底的敏感电极，其制备方法包括以下步骤：
步骤A：分别制备低阶酚醛树脂溶液和三嵌段共聚物溶液，然后低阶酚醛树脂溶液与三嵌段共聚物溶液混合，加热搅拌，得到球形胶束溶液。
步骤B：取上述球形胶束溶液，加水稀释，同时将纤维状导电基底浸渍于所得溶液中，水热反应，得到表面生长有有序胶束的纤维状导电基底。
步骤C：将表面生长有有序胶束的纤维状导电基底在惰性气体氛围下煅烧，得到表面修饰有有序介孔碳层的纤维状导电基底。
步骤D：配制过氧化氢催化剂的前驱体溶液，将表面修饰有有序介孔碳层的纤维状导电基底浸渍于在前驱体溶液中，然后添加还原剂，还原反应后，得到负载有过氧化氢催化剂的纤维状导电基底。
步骤E：将负载有过氧化氢催化剂的纤维状导电基底浸渍于氧化还原酶溶液中，静置，取出，制得敏感电极。
一种生化小分子检测系统，包括：
基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器；
电压偏置和电流读取单元；所述电压偏置和电流读取单元与所述生化传感器电连接，用于给生化传感器供电和读取输出漏电流；
信号处理单元；所述信号处理单元与电压偏置和电流读取单元电连接，用于对读取的漏电流信号进行分析，转化为待测物的浓度信息。
一种生化小分子检测方法，采用上述的生化小分子检测系统对待测物进行检测。当检测时，将敏感电极和参比电极浸置在待检测溶液中，在参比电极端设置恒定的偏置电压来控制场效应晶体管的栅电压，同时设置恒定的源漏电压。敏感电极与溶液充分接触之后，因为酶分子对特定待分析物催化产生过氧化氢，而负载有过氧化氢催化剂的电极表面电位受到过氧化氢浓度的影响，所以在敏感电极与溶液界面处的电压降间接受到目标分子浓度的影响，这样，在固定栅源电压的情况下，晶体管栅电极和沟道处的电压降也受到待分析溶液中目标分子的浓度影响。根据晶体管的跨导特性，输出的漏电流与待分析溶液中目标分子的浓度具有相关性。因此，可以根据漏电流大小来判读溶液中目标分子的浓度。
作为优选，为了提高器件的灵敏度，所述场效应晶体管的工作区域优选为亚阈值区。因此，需要先在没有目标生物分子的溶液中扫描转移特性曲线，然后再选择合适的栅源工作电压使场效应晶体管工作在亚阈值区域。
作为优选，为了将读出漏电流值转换为溶液中目标分子的浓度，需要预先测量晶体管器件在不同目标分子浓度的溶液中的电流值作为校准曲线。
具体实施例
实施例1
一种纤维状葡萄糖敏感电极，以碳纤维为基底，通过水热和煅烧的方法在其表面修饰一层有序介孔碳材料，然后依次通过化学还原和物理吸附的方法在有序介孔碳表面修饰铂金属纳米颗粒和葡萄糖氧化酶。具体地，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一，制备低阶酚醛树脂：将0.6 g苯酚和2.1 mL质量分数为37%的甲醛水溶液溶解在15 mL 0.1 mol/L的氢氧化钠水溶液中，在67-70 ℃下水浴搅拌30分钟，得到浅红色低阶酚醛树脂。
步骤二，将0.96 g三嵌段共聚物F127溶解在65 mL的水中得到澄清水溶液，然后将步骤一所得浅红色低阶酚醛树脂溶液与上述三嵌段共聚物水溶液混合，在67-70 ℃水浴搅拌10-14小时，得到深红色球形胶束溶液。
步骤三，取10g上述球形胶束溶液，加入20 g水稀释，同时将低于0.5 g的碳纤维浸置在所得溶液中，在130 ℃的烘箱中水热20小时，得到表面生长有有序胶束的碳纤维，将纤维取出洗净晾干。
步骤四，将步骤三所得的碳纤维在惰性气体氛围下750 ℃煅烧2小时，得到表面修饰有有序介孔碳的碳纤维，该有序介孔碳层的孔径大约为10 nm。
在其他实施案例中，也可以没有步骤三和步骤四的碳纤维，直接煅烧胶束自聚形成的小球得到有序介孔碳球，或者将碳纤维更换成其他基底材料，得到空心有序介孔碳球、有序介孔碳片等，所述基底材料包括但不限于二氧化硅纳米球、双金属氢氧化物纳米片等。
步骤五，配制3 mL的0.3 mmol/L氯铂酸水溶液，将步骤四得到的表面修饰有序介孔碳的碳纤维浸置在上述氯铂酸水溶液中，然后滴加180 μL的质量分数为0.075%的硼氢化钠水溶液，4℃冰箱中静置8小时，得到负载有铂金属纳米颗粒的有序介孔碳纤维，该铂金属纳米颗粒的平均尺寸为4.3 nm（为了制得特定粒径的纳米颗粒，需要控制反应物浓度和种类，第一，氯铂酸浓度要稀，第二，还原剂的还原性要强，以实现爆发式成核，同时还原剂的量要超过可以将所有氯铂酸都还原的量），将纤维取出洗净晾干。
在其他实施案例中，也可以在有序介孔碳表面修饰普鲁士蓝纳米颗粒等，要求纳米颗粒尺寸小于5 nm，不影响后续氧化还原酶在介孔中的限域负载。
步骤六，配制200 μL的1 mg/mL葡萄糖氧化酶溶液，该葡萄糖氧化酶的晶格参数为5.0 nm ( 6.4 nm ( 7.6 nm，然后将步骤五中所得纤维浸置在上述葡萄糖氧化酶溶液中，在4 ℃冰箱中静置8小时，取出，仍然在4 ℃冰箱中晾干，得到所述纤维状葡萄糖敏感电极。
在其他实施案例中，可以根据待检测物的不同选择相应的氧化还原酶。若步骤六中使用尿酸氧化酶溶液，则得到的是尿酸敏感电极；若步骤六中使用胆固醇氧化酶溶液，则得到的是胆固醇敏感电极；若步骤六中使用乳酸氧化酶，则得到的是乳酸敏感电极。
图2示出了根据实施例1制备方法得到的纤维状葡萄糖敏感电极的透射电镜图，该图显示了碳纤维表面的有序介孔碳层，以及铂金属纳米颗粒在有序介孔碳表面的负载，和葡萄糖氧化酶在有序介孔碳上的物理吸附。
该葡萄糖敏感电极的工作原理是：在氧气作用下，葡萄糖氧化酶将葡萄糖氧化为葡萄糖酸内酯，同时生成过氧化氢，中间产物过氧化氢在铂金属纳米颗粒的作用下被氧化为氧气并且有两个电子被转移到有序介孔碳上。过氧化氢的这一步反应造成了电极界面的电位改变。因而，所述葡萄糖电极的界面电位与电极浓度具有相关性，根据这种相关性进行后面的检测。
实施例2
一种基于外延栅型场效应晶体管（由实施例1的纤维状葡萄糖敏感电极与场效应晶体管组装而成）的生化传感器，如图3所示，包括：衬底1，纤维状参比电极4，纤维状葡萄糖敏感电极3和场效应晶体管2。
所述场效应晶体管2包括漏极21、栅极22和源极23。
所述纤维状参比电极31包括：
设置于所述衬底1之上的参比电极碳纤维41；
设置于所述参比电极碳纤维表面的银/氯化银层42；
设置于所述银/氯化银层42表面的含有饱和氯化钠的聚乙烯醇缩丁醛层43；
银浆6，用于连接参比电极碳纤维和铜导线。
所述纤维状葡萄糖敏感电极3包括：
敏感电极碳纤维31；
设置于敏感电极碳纤维表面的有序介孔碳层32；
设置于有序介孔碳层32表面的铂纳米颗粒33以及葡萄糖氧化酶32；
银浆6，用于连接敏感电极碳纤维31和铜导线。
该生化传感器还包括：
在衬底1表面预先暴露出的铜电极7；
设置于衬底1之上但覆盖导线部分的封装层5，所述封装层5暴露出纤维状参比电极3和纤维状葡萄糖敏感电极2的敏感区域，材料可以选择为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。
图3中的三个虚线框分别表示纤维状参比电极4，纤维状葡萄糖敏感电极3和场效应晶体管2。所述纤维状参比电极4提供在溶液中的稳定电位，所述纤维状葡萄糖敏感电极3提供与葡萄糖浓度相关的界面电位，所述场效应晶体管2将界面电位的变化转变为输出漏电流的变化。
实施例3
一种基于外延栅型场效应晶体管（由平面型葡萄糖敏感电极与场效应晶体管组装而成）的生化传感器，如图4所示，包括：衬底1，平面型参比电极8，平面型葡萄糖敏感电极9和场效应晶体管2。
所述场效应晶体管2包括漏极21、栅极22和源极23。
所述平面型参比电极8包括：
设置于所述衬底1之上的平面金电极10；
设置于所述平面金电极10之上的银/氯化银层42；
设置于所述银/氯化银层42之上的含有饱和氯化钠的聚乙烯醇缩丁醛层43。
所述平面型葡萄糖敏感电极9包括：
设置于所述衬底1之上的平面金电极10；
设置于所述平面金电极10之上的有序介孔碳层32；
设置于所述有序介孔碳层32表面的铂纳米颗粒33以及葡萄糖氧化酶34。
该生化传感器还包括：
连接所述平面型葡萄糖敏感电极42和场效应晶体管2的栅极22的导线；
设置于衬底1之上但覆盖导线部分的封装层5，所述封装层5暴露出平面型参比电极8和平面型葡萄糖敏感电极9的敏感区域，材料可以选择为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。
图4中的三个虚线框分别表示平面型参比电极8，平面型葡萄糖敏感电极9和场效应晶体管2。所述平面型参比电极8提供在溶液中的稳定电位，所述平面型葡萄糖敏感电极9提供与葡萄糖浓度相关的界面电位，所述场效应晶体管2将界面电位的变化转变为输出漏电流的变化。
实施例4
一种生化小分子检测系统，如图5所示，包括：
基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器；其主要包括衬底1、场效应晶体管2、敏感电极11和参比电极12；
电压偏置和电流读取单元13；所述电压偏置和电流读取单元与生化传感器电连接，用于给生化传感器供电和读取输出漏电流；
信号处理单元14；所述信号处理单元与电压偏置和电流读取单元电连接，用于对读取的漏电流信号进行分析，转化为待测物的浓度信息；
设置于所述衬底1之上放置待检测溶液的聚合物槽15，所述聚合物槽15包围住敏感电极11和参比电极12的敏感部分，材料可以选择为聚二甲基硅氧烷（PDMS）。
在实际检测过程中，聚合物槽中放置待检测溶液，参比电极端、场效应晶体管的源极端、漏极端分别施加恒定电压，根据输出漏电流大小判断溶液中待检测分子的浓度。
实施例5
图6示出利用实施例4的检测系统进行生化小分子检测的方法，包括校准和检测步骤，具体地：
校准步骤包括：
步骤一：向聚合物槽中加入具有已知待检测物浓度的溶液，并且溶液完全覆盖住敏感电极和参比电极；
步骤二：电压偏置单元给场效应晶体管的源漏端和参比电极端施加偏置电压，电流读取单元读取漏电流的稳定值；
步骤三：吸取聚合物槽中的溶液，并用去离子水清洗，更换第二种已知待检测物浓度的溶液，重复上述步骤一和步骤二的操作，然后更换第三种已知待检测物浓度的溶液，重复上述步骤一和步骤二的操作；
步骤四：根据所得数据拟合出“漏电流-待检测物浓度”的线性关系，作为校准曲线。
检测步骤包括：
步骤一：向聚合物槽中加入含有待检测物的溶液，并且溶液完全覆盖住敏感电极和参比电极；
步骤二：电压偏置单元给场效应晶体管的源漏端和参比电极端施加偏置电压，电流读取单元读取漏电流的稳定值；
步骤三：根据校准步骤所得的校准曲线，将上述测试所得的漏电流值转化为待检测物的浓度。
值得注意的是，在第一次进行测量时，按照图6中的说明，需要先进行校准步骤，得到校准曲线，然后再进行真实样品的检测。也可以在器件制备完成后预先进行校准，将校准曲线存储在信号分析单元，然后得到待检测样品溶液后直接进行检测，此方法需要定期对校准曲线进行更新以减少电极随时间的信号漂移。
图7展示了本发明的一个具体实施案例中对葡萄糖检测的校准曲线。
上述实施例为本发明的一个具体优选的实施方式，其中所描述的具体特征、结构、材料可以在任一实施方式中以合适的方式相结合。因此，在不脱离本发明实质和原理的情况下，本领域的技术人员可以对本说明书中描述的实施案例作出适当修改、替换、简化、组合，这些都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器，其特征在于包括：
衬底；
场效应晶体管；所述场效应晶体管固定于衬底表面，包括漏极、栅极和源极；
敏感电极，所述敏感电极作为外延栅极固定于衬底表面，与场效应晶体管的栅极电连接；
敏感电极包括：
导电基底；
有序介孔碳层，所述有序介孔碳层覆盖于所述导电基底表面；
过氧化氢催化剂，所述过氧化氢催化剂负载于所述有序介孔碳层的孔隙之中，其用于催化酶反应的产物过氧化氢，将过氧化氢氧化后的电子转移到有序介孔碳层和导电基底上；
氧化还原酶，所述氧化还原酶负载于所述有序介孔碳层的孔隙之中，其用于选择性催化底物为过氧化氢，以实现将对于各种待测物的检测转化为对过氧化氢的检测；
参比电极，所述参比电极固定于衬底表面。
2.如权利要求1所述的基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器，其特征在于：还包括仅暴露敏感栅极和参比电极区域的封装层。
3.如权利要求1所述的基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器，其特征在于：在所述敏感电极中：
所述有序介孔碳层的孔径为5-20 nm；
所述过氧化氢催化剂的颗粒尺寸小于5 nm；
所述氧化还原酶的尺寸小于20 nm。
4.如权利要求1所述的基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器，其特征在于：所述导电基底为纤维状导电基底或平面型导电基底；纤维状导电基底选自碳纤维电极、碳纳米管纤维电极；平面型导电基底选自金电极、银电极、氧化铟锡电极；
所述过氧化氢催化剂选自贵金属纳米颗粒、普鲁士蓝纳米颗粒；
所述氧化还原酶选自催化葡萄糖的葡萄糖氧化酶、催化尿酸的尿酸氧化酶、催化胆固醇的胆固醇氧化酶、催化乳酸的乳酸氧化酶。
5.如权利要求4所述的基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器，其特征在于：
对于纤维状导电基底，所述有序介孔碳层由有序介孔碳材料在纤维状导电基底表面通过水热反应原位生长后再高温煅烧形成；
对于平面型导电基底，所述有序介孔碳层由有序介孔碳材料悬浮液滴涂在平面型导电基底之上后形成。
6.如权利要求5所述的基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器，其特征在于：所述敏感电极的制备方法包括以下步骤：
步骤一，在导电基底表面修饰有序介孔碳层；
步骤二，在有序介孔碳层表面修饰过氧化氢催化剂；
步骤三，在修饰有过氧化氢催化剂的有序介孔碳层表面继续修饰氧化还原酶；氧化还原酶的修饰方法为利用有序介孔碳层的限域作用物理吸附或氧化还原酶与有序介孔碳层之间的化学吸附。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤一中：
对于纤维状导电基底，直接将有机小分子/表面活性剂组成的单胶束通过界面组装的方式修饰生长在纤维状导电基底表面，煅烧后形成有序介孔碳层；
对于平面型导电基底，将预先制备好的有序介孔碳材料悬浮液直接滴加覆盖于平面型导电基底表面，干燥后形成有序介孔碳层，面质量密度在1-3 μg/mm2。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：对于采用纤维状导电基底的敏感电极，其制备方法包括以下步骤：
步骤A：分别制备低阶酚醛树脂溶液和三嵌段共聚物溶液，然后低阶酚醛树脂溶液与三嵌段共聚物溶液混合，加热搅拌，得到球形胶束溶液；
步骤B：取上述球形胶束溶液，加水稀释，同时将纤维状导电基底浸渍于所得溶液中，水热反应，得到表面生长有有序胶束的纤维状导电基底；
步骤C：将表面生长有有序胶束的纤维状导电基底在惰性气体氛围下煅烧，得到表面修饰有有序介孔碳层的纤维状导电基底；
步骤D：配制过氧化氢催化剂的前驱体溶液，将表面修饰有有序介孔碳层的纤维状导电基底浸渍于在前驱体溶液中，然后添加还原剂，还原反应后，得到负载有过氧化氢催化剂的纤维状导电基底；
步骤E：将负载有过氧化氢催化剂的纤维状导电基底浸渍于氧化还原酶溶液中，静置，取出，制得敏感电极。
9.一种生化小分子检测系统，其特征在于包括：
如权利要求1-8之一所述的基于外延栅型场效应晶体管的生化传感器；
电压偏置和电流读取单元；所述电压偏置和电流读取单元与所述生化传感器电连接，用于给生化传感器供电和读取输出漏电流；
信号处理单元；所述信号处理单元与电压偏置和电流读取单元电连接，用于对读取的漏电流信号进行分析，转化为待测物的浓度信息。
10.一种生化小分子检测方法，其特征在于：采用如权利要求9所述的生化小分子检测系统对待测物进行检测；当检测时，将敏感电极和参比电极浸置在待检测溶液中，在参比电极端设置恒定的偏置电压来控制场效应晶体管的栅电压，同时设置恒定的源漏电压；由于敏感电极与待检测溶液的界面电位依赖于待检测溶液中待测物浓度，该界面电位影响场效应晶体管的栅电压，进而改变输出漏电流；进而根据漏电流和待测物浓度之间的关系实现对待测物的检测。
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