CN117538400A - 一种基于功能化球形核酸修饰fet生物传感器的检测装置、修饰方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于功能化球形核酸修饰FET生物传感器的检测装置、修饰方法及应用，包括传感器，所述传感器包括S i衬底、保护层、沟道层、栅介质层和接触电极；其中，所述保护层位于衬底上，所述沟道层位于所述保护层上，所述接触电极包括源电极D和漏电极S，所述源电极D和漏电位S于保护层上两侧；本发明通过利用金属氧化物作为栅介质层，以光刻胶钝化隔离接触电极，并以纳米金颗粒修饰栅介质层表面，去除了生物分子对接触电极的功函数调制效应，改进了浮栅型碳基生物传感器的结构，使其传感机制完全由沟道静电掺杂效应主导，大大提高了碳基FET生物传感器的稳定性及结合效率，降低了检测过程环境因素对检测结果的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测装置，具体为基于功能化球形核酸修饰FET生物传感器的检测装置，属于生物传感器技术领域。
背景技术
球形核酸(SNA)即DNA多功能化纳米颗粒(NP)，是DNA相关组装、传感和治疗等应用的关键纳米单元。SNA具有紧密嫁接的DNA链和由此带来的诸多独特性质，包括可调的杂交活性、增强的/多价靶标结合、陡峭的熔解转变曲线、抗核酸酶/盐稳定性和无载体细胞摄取等。SNA合成通常始于水溶液中带有巯基末端的DNA与金纳米颗粒(AuNP)之间的相互作用。
碳基场效应晶体管(Carbon-Based Field-Effect Transistor，简称碳基FET)生物传感器是一种基于碳基材料制造的生物传感器，具有非常高的灵敏度。其主要利用碳基材料的特性，结合场效应晶体管的工作原理，实现对生物分子或生物事件的高度敏感检测。
FET生物传感器的高灵敏度主要归功于碳基材料的优异性能。碳基材料具有良好的电导率和化学稳定性，同时具有较大的比表面积，这使得它们能够更好地与生物分子相互作用。当目标生物分子与传感器表面相互作用时，会引起传感器电荷状态的变化，进而影响传感器的电流或电压输出信号。通过监测这种信号变化，可以实现对生物分子的高灵敏度检测。
传统液栅型FET生物传感器具有灵敏度高、特异性强、易于制备等优点，广泛应用于临床诊断、环境监测、食品安全等领域，然而其修饰方法是基于金硫键的共价作用或者其他的化学修饰，基于巯基化的DNA和金纳米颗粒的组装过程通常需要12h，结合效率较低，而且检测过程容易受到外界环境的干扰，为此，提出一种基于功能化球形核酸修饰FET生物传感器的检测装置、修饰方法及应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于功能化球形核酸修饰FET生物传感器的检测装置、修饰方法及应用，以解决或缓解现有技术中存在的技术问题，至少提供有益的选择。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：一种基于功能化球形核酸修饰FET生物传感器的检测装置，包括传感器，所述传感器包括Si衬底、保护层、沟道层、栅介质层和接触电极；
其中，所述保护层位于衬底上，所述沟道层位于所述保护层上，所述接触电极包括源电极D和漏电极S，所述源电极D和漏电位S于保护层上两侧，所述栅介质层位于沟道层和接触电极上，所述接触电极上覆盖有光刻胶；
其中，所述栅介质层用于纳米金颗粒修饰，所述栅介质层为金属氧化物，用于与功能化球形核酸进行螯合作用，将功能化球形核酸固定于栅介质层表面；
其中，所述沟道层为网状的碳纳米管薄膜。
进一步优选的，所述金属氧化物包括但不限于氧化钇、氧化铪或氧化钽薄膜。
进一步优选的，所述网状的碳纳米管薄膜采用单层网络碳管。
进一步优选的，所述源电极D和漏电位S采用电子束蒸发镀膜仪制备于保护层表面，所述源电极D和漏电位S的材质为Ti、Pd和Au。
进一步优选的，所述沟道层表面开设有钝化窗口，所述光刻胶覆盖于钝化窗口周边及接触电极上。
一种修饰方法，包括以下步骤：
S1、对功能化球形核酸溶液进行处理获得SNA溶液；
S2、取SNA溶液进行离心处理，并去除上清液；
S3、定量吸取处理后SNA溶液，并滴加至检测装置的栅介质层表面；
S4、孵育-完成SNA探针的固定。
进一步优选的，所述S2中，SNA溶液离心处理的取量为1-3mL，离心处理的转速为12000-16000rpm，时间为10-16min，上清液去除量为93-97％。
进一步优选的，所述S3中，SNA溶液的吸取量为18-22uL。
进一步优选的，所述S4中，孵育环境的空气湿度为70-85％，温度为20-25℃，孵育时间为3.5-4.5h。
进一步优选的，检测装置在DNA、生物小分子、细胞或蛋白检测中的应用。
本发明实施例由于采用以上技术方案，其具有以下优点：
一、本发明通过利用金属氧化物作为栅介质层，以光刻胶钝化隔离接触电极，并以纳米金颗粒修饰栅介质层表面，去除了生物分子对接触电极的功函数调制效应，改进了浮栅型碳基生物传感器的结构，使其传感机制完全由沟道静电掺杂效应主导，大大提高了碳基FET生物传感器的稳定性及结合效率，降低了检测过程环境因素对检测结果的干扰。
二、本发明通过利用SNA和金属氧化物栅介质层的螯合作用，将功能化球形核酸固定在FET生物传感器的栅介质层表面，使得DNA与表面连接的功能与特异性识别的功能在空间上分开，靠近栅介质层表面的面可以通过多价作用进行偶联，而暴露的一面则具有SNA的所有优点，而且SNA与金属氧化物栅介质层的结合作用不仅仅局限于单独的某一种材料，根据这种特性配合FET生物传感器的高灵敏度的特点，可快速完成对DNA、生物小分子、细胞和蛋白的检测。
上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明传感器的结构图；
图2为本发明传感器的SEM图；
图3为本发明多价吸附作用的原理示意图；
图4为本发明修饰方法的流程示意图；
图5为本发明的检测原理示意图；
图6为本发明SNA在金属氧化物栅介质上的修饰效率对比图；
图7为本发明的DNA的检测原理图；
图8为本发明的响应测试图；
图9为本发明的响应度图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
需要注意的是，术语“第一”、“第二”、“对称”、“阵列”等仅用于区分描述与位置描述目的，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”、“对称”等特征的可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；同样，对于未以“两个”、“三只”等文字形式对某些特征进行数量限制时，应注意到该特征同样属于明示或者隐含地包括一个或者更多个特征数量。
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例一
如图1-6所示，本发明实施例提供了一种基于功能化球形核酸修饰FET生物传感器的检测装置、修饰方法及应用，包括传感器，传感器包括Si衬底、保护层(SiO2)、沟道层(CNT)、栅介质层和接触电极；
其中，保护层位于衬底上，沟道层位于保护层上，接触电极包括源电极D(Drain)和漏电极S(Sourse)，源电极D和漏电位S于保护层上两侧，栅介质层位于沟道层和接触电极上，接触电极上覆盖有光刻胶；
其中，栅介质层用于纳米金颗粒修饰，栅介质层为金属氧化物，用于与功能化球形核酸进行螯合作用，将功能化球形核酸固定于栅介质层表面；
其中，沟道层为网状的碳纳米管薄膜。
球形核酸和金属氧化物栅介质结合的原理是基于DNA的磷酸基团可以与金属氧化物的氧原子配位，从而可以形成一种多价吸附作用，相关原理如图3所示。
在一个实施例中，金属氧化物为氧化钇(Y2O3)。
根据实际需求及SNA的特性选择氧化钇作为金属氧化物栅介质层。
在一个实施例中，网状的碳纳米管薄膜采用单层网络碳管，厚度为1nm。
通过使用单层网络碳管制成的网状的碳纳米管薄膜作为传感器的沟道材料。
在一个实施例中，源电极D和漏电位S采用电子束蒸发镀膜仪制备于保护层表面，源电极D和漏电位S的材质为Ti、Pd和Au。
在一个实施例中，如图2所示，沟道层表面开设有钝化窗口(Passivation widow)，光刻胶覆盖于钝化窗口周边及接触电极上。
通过利用光刻胶对钝化窗口周边及接触电极进行覆盖，避免液体测试时发生漏电或者其它电化学反应。
在一个实施例中，因为SNA和金属氧化物栅介质的结合是基于DNA的磷酸基团和氧原子的配位作用，因此理论上SNA可以与多种金属氧化物栅介质结合。在这里选择氧化钇栅介质材料进行说明，具体如图4和图6所示，一种修饰方法，包括以下步骤：
S1、对功能化球形核酸溶液进行处理获得SNA溶液；
S2、取SNA溶液进行离心处理，并去除上清液；
S3、定量吸取处理后SNA溶液，并滴加至检测装置的栅介质层表面；
S4、孵育-完成SNA探针的固定。
在孵育完成后，用纯水轻轻冲洗，氮气吹干后在扫描电镜下进行观察，在事先标记好的几个固定位置附近扫描后利用imageJ软件的计数功能，算出单位面积(100um2)上SNA的数量并进行统计，具体结果如图6所示。
在一个实施例中，S2中，SNA溶液离心处理的取量为1.5mL，离心处理的转速为14000rpm，时间为13min，上清液去除量为95％。
在一个实施例中，S3中，SNA溶液的吸取量为20uL。
在一个实施例中，S4中，孵育环境的空气湿度为80％，温度为22℃，孵育时间为4h。
通过对空气湿度、温度以及孵育时间进行控制，用以判断环境因素对检测过程结果影响。
实施例二
如图1-6所示，本发明实施例提供了一种基于功能化球形核酸修饰FET生物传感器的检测装置、修饰方法及应用，包括传感器，传感器包括Si衬底、保护层(SiO2)、沟道层(CNT)、栅介质层和接触电极；
其中，保护层位于衬底上，沟道层位于保护层上，接触电极包括源电极D(Drain)和漏电极S(Sourse)，源电极D和漏电位S于保护层上两侧，栅介质层位于沟道层和接触电极上，接触电极上覆盖有光刻胶；
其中，栅介质层用于纳米金颗粒修饰，栅介质层为金属氧化物，用于与功能化球形核酸进行螯合作用，将功能化球形核酸固定于栅介质层表面；
其中，沟道层为网状的碳纳米管薄膜。
球形核酸和金属氧化物栅介质结合的原理是基于DNA的磷酸基团可以与金属氧化物的氧原子配位，从而可以形成一种多价吸附作用，相关原理如图3所示。
在一个实施例中，金属氧化物为氧化铪(HfO2)薄膜，金属氧化物的厚度为3nm。
根据实际需求及SNA的特性选择氧化铪作为金属氧化物栅介质层。
在一个实施例中，网状的碳纳米管薄膜采用单层网络碳管，厚度为2nm。
通过使用单层网络碳管制成的网状的碳纳米管薄膜作为传感器的沟道材料。
在一个实施例中，源电极D和漏电位S采用电子束蒸发镀膜仪制备于保护层表面，源电极D和漏电位S的材质为Ti(钛)、Pd(钯)和Au(铜)，厚度为0.3nm。
根据实际需求对源电极D和漏电位S的材质和厚度进行选择。
在一个实施例中，如图2所示，沟道层的沟道尺寸为20*40um，沟道层表面开设有钝化窗口(Passivation widow)，钝化窗口的宽度为17um，光刻胶覆盖于钝化窗口周边及接触电极上。
通过利用光刻胶对钝化窗口周边及接触电极进行覆盖，避免液体测试时发生漏电或者其它电化学反应。
在一个实施例中，因为SNA和金属氧化物栅介质的结合是基于DNA的磷酸基团和氧原子的配位作用，因此理论上SNA可以与多种金属氧化物栅介质结合。在这里我们选择氧化铪栅介质材料进行说明，具体如图4和图6所示，一种修饰方法，包括以下步骤：
S1、使用冷冻法对功能化球形核酸溶液进行处理获得SNA溶液；
S2、取SNA溶液进行离心处理，并去除上清液；
S3、定量吸取处理后SNA溶液，并滴加至检测装置的栅介质层表面；
S4、孵育-完成SNA探针的固定。
在孵育完成后，用纯水轻轻冲洗，氮气吹干后在扫描电镜下进行观察，在事先标记好的几个固定位置附近扫描后利用imageJ软件的计数功能，算出单位面积(100um2)上SNA的数量并进行统计，具体结果如图6所示。
在一个实施例中，S2中，SNA溶液离心处理的取量为1mL，离心处理的转速为12000rpm，时间为16min，上清液去除量为93％。
在一个实施例中，S3中，SNA溶液的吸取量为18uL。
在一个实施例中，S4中，孵育环境的空气湿度为70％，温度为20℃，孵育时间为4.5h。
通过对空气湿度、温度以及孵育时间进行控制，用以判断环境因素对检测过程结果影响。
实施例三
如图1-6所示，本发明实施例提供了一种基于功能化球形核酸修饰FET生物传感器的检测装置、修饰方法及应用，包括传感器，传感器包括Si衬底、保护层(SiO2)、沟道层(CNT)、栅介质层和接触电极；
其中，保护层位于衬底上，沟道层位于保护层上，接触电极包括源电极D(Drain)和漏电极S(Sourse)，源电极D和漏电位S于保护层上两侧，栅介质层位于沟道层和接触电极上，接触电极上覆盖有光刻胶；
其中，栅介质层用于纳米金颗粒修饰，栅介质层为金属氧化物，用于与功能化球形核酸进行螯合作用，将功能化球形核酸固定于栅介质层表面；
其中，沟道层为网状的碳纳米管薄膜。
球形核酸和金属氧化物栅介质结合的原理是基于DNA的磷酸基团可以与金属氧化物的氧原子配位，从而可以形成一种多价吸附作用，相关原理如图3所示。
在一个实施例中，金属氧化物为氧化钽(Ta2O5)薄膜，金属氧化物的厚度为6nm。
根据实际需求及SNA的特性选择氧化钽作为金属氧化物栅介质层。
在一个实施例中，网状的碳纳米管薄膜采用单层网络碳管，厚度为3nm。
通过使用单层网络碳管制成的网状的碳纳米管薄膜作为传感器的沟道材料。
在一个实施例中，源电极D和漏电位S采用电子束蒸发镀膜仪制备于保护层表面，源电极D和漏电位S的材质为Ti、Pd和Au，厚度为40nm。
根据实际需求对源电极D和漏电位S的材质和厚度进行选择。
在一个实施例中，如图2所示，沟道层的沟道尺寸为20*40um，沟道层表面开设有钝化窗口(Passivation widow)，钝化窗口的宽度为17um，光刻胶覆盖于钝化窗口周边及接触电极上。
通过利用光刻胶对钝化窗口周边及接触电极进行覆盖，避免液体测试时发生漏电或者其它电化学反应。
在一个实施例中，因为SNA和金属氧化物栅介质的结合是基于DNA的磷酸基团和氧原子的配位作用，因此理论上SNA可以与多种金属氧化物栅介质结合。在这里我们选择氧化钽栅介质材料进行说明，具体如图4和图6所示，一种修饰方法，包括以下步骤：
S1、使用冷冻法对功能化球形核酸溶液进行处理获得SNA溶液；
S2、取SNA溶液进行离心处理，并去除上清液；
S3、定量吸取处理后SNA溶液，并滴加至检测装置的栅介质层表面；
S4、孵育-完成SNA探针的固定。
在孵育完成后，用纯水轻轻冲洗，氮气吹干后在扫描电镜下进行观察，在事先标记好的几个固定位置附近扫描后利用imageJ软件的计数功能，算出单位面积(100um2)上SNA的数量并进行统计，具体结果如图6所示。
在一个实施例中，S2中，SNA溶液离心处理的取量为3mL，离心处理的转速为16000rpm，时间为10min，上清液去除量为97％。
在一个实施例中，S3中，SNA溶液的吸取量为22uL。
在一个实施例中，S4中，孵育环境的空气湿度为85％，温度为25℃，孵育时间为3.5h。
通过对空气湿度、温度以及孵育时间进行控制，用以判断环境因素对检测过程结果影响。
如图5所示，实施例一、实施例二和实施例三中的检测装置的检测原理，通过SNA和金属氧化物栅介质的螯合作用，可以将功能化球形核酸固定在浮栅型FET生物传感器的栅介质表面。对比使用线性DNA来作为linker(连接器)，基于SNA的新型linker使得DNA与表面连接的功能与特异性识别的功能在空间上分开，靠近栅介质表面的面可以通过多价作用进行偶联，而暴露的一面则具有SNA的所有优点(比如对cDNA更密集的结合作用等)，而且SNA与金属氧化物栅介质的结合作用不仅仅局限于单独的某一种材料，根据这种特性可以提出一种在多种金属氧化物栅介质表面进行功能化修饰的通用方法，再利用浮栅型FET生物传感器的高灵敏度的特点，完成对DNA适配体和多种生物小分子的检测。
实施例一、实施例二和实施例三中，选择氧化钇、氧化铪、氧化钽三种常用high-k栅介质材料作为金属氧化物栅介质，对比结果如图6所示，可以证明SNA在金属氧化物栅介质层上的结合效率要显著高于未经修饰的金颗粒，证明了SNA和金属氧化物栅介质结合的可行性，同时，这种作用效果的通用性也展示了基于SNA修饰的FET生物传感器在应用上的巨大潜力。
在一个实施例中，检测装置在DNA、生物小分子、细胞或蛋白检测中的应用。
采用实施例一中，以氧化钇作为栅介质层的生物传感器为例，采用生物传感器对碱基序列为ACCTTCCTCCGCAATACTCCCCCAGGT(5′到3′)的ATP适配体进行了检测；
其中SNA的碱基序列为与ATP适配体互补的碱基序列，实现了从10aM到1pM的高灵敏度检测，并在1pM时达到了最高响应度96％，充分说明了本发明的检测装置在低浓度检测方面的巨大优势，相关原理图及测试数据如图7、8、9所示。
具体检测方法如下：采用静态测试模式对传感器性能进行测试，测试仪型号为Keysight 4200；
首先将制备好的SNA取20μL滴加于传感器沟道处，在室温下孵育4h后，将片子用纯水轻轻冲洗，氮气吹干，去掉游离的SNA，再用0.01％的BSA封闭处理1h。
然后在检测目标DNA片段或者小分子时，将0.01×PBS制备的10μL目标物与SNA修饰的传感器一起孵育5min后，在液栅环境下测试。传感器施加偏压均为-0.1V。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于功能化球形核酸修饰FET生物传感器的检测装置，包括传感器，其特征在于：所述传感器包括Si衬底、保护层、沟道层、栅介质层和接触电极；
其中，所述保护层位于衬底上，所述沟道层位于所述保护层上，所述接触电极包括源电极D和漏电极S，所述源电极D和漏电位S于保护层上两侧，所述栅介质层位于沟道层和接触电极上，所述接触电极上覆盖有光刻胶；
其中，所述栅介质层用于纳米金颗粒修饰，所述栅介质层为金属氧化物，用于与功能化球形核酸进行螯合作用，将功能化球形核酸固定于栅介质层表面；
其中，所述沟道层为网状的碳纳米管薄膜。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述金属氧化物包括但不限于氧化钇、氧化铪或氧化钽薄膜。
3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述网状的碳纳米管薄膜采用单层网络碳管。
4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述源电极D和漏电位S采用电子束蒸发镀膜仪制备于保护层表面，所述源电极D和漏电位S的材质为Ti、Pd和Au。
5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述沟道层表面开设有钝化窗口，所述光刻胶覆盖于钝化窗口周边及接触电极上。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的检测装置的修饰方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对功能化球形核酸溶液进行处理获得SNA溶液；
S2、取SNA溶液进行离心处理，并去除上清液；
S3、定量吸取处理后SNA溶液，并滴加至检测装置的栅介质层表面；
S4、孵育-完成SNA探针的固定。
7.根据权利要求6所述的修饰方法，其特征在于：所述S2中，SNA溶液离心处理的取量为1-3mL，离心处理的转速为12000-16000rpm，时间为10-16min，上清液去除量为93-97％。
8.根据权利要求6所述的修饰方法，其特征在于：所述S3中，SNA溶液的吸取量为18-22uL。
9.根据权利要求6所述的修饰方法，其特征在于：所述S4中，孵育环境的空气湿度为70-85％，温度为20-25℃，孵育时间为3.5-4.5h。
10.根据权利要求1-5任一项所述的检测装置在DNA、生物小分子、细胞或蛋白检测中的应用。
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