CN117949517A - 同时快速特异性检测多种生物标志物的石墨烯晶体管芯片 - Google Patents

Abstract

本发明属于体外诊断领域，具体为一种同时快速特异性检测多种生物标志物的石墨烯晶体管芯片。本发明石墨烯晶体管芯片由衬底、源极、漏极和液体栅极组成，在源极和漏极之间有石墨烯通道，石墨烯沟道表面修饰有1‑芘丁酸N‑羟基琥珀酰亚胺酯；在不同沟道区域间隔处沉积有氧化物材料作为阻挡层；同一衬底上，排布有多个石墨烯晶体管器件，不同区域石墨烯晶体管器件，根据需要检测的生物标志物类别数量划分，数量为2个以上；不同石墨烯晶体管器件的石墨烯通道上修饰有不同适配体，进行功能化处理。本发明中的多靶标石墨烯晶体管芯片实现了对有限的样本溶液中多种生物标志物同时检测，可以广泛应用于多种疾病标志物即时诊断。

Description

同时快速特异性检测多种生物标志物的石墨烯晶体管芯片

技术领域

本发明属于体外诊断技术领域，具体涉及一种生物标志物检测芯片。

背景技术

近年来石墨烯由于其独特的物理化学性质，非常适合生物标记物检测，因此其已被广泛应用于生物医学领域中检测表面生化分子。当石墨烯作为沟道材料其表面核酸适配体探针与蛋白，多肽，核酸等小分子生物标志物产生特异性结合时，石墨烯沟道的电子迁移率，阈值电压等电学参数发生改变。该变化可用于检测特定的生物标志物。

现有技术或实验室研究中，一个芯片通常只用于一种生物标志物的检测。但在实际应用特别是临床应用中，通常需要对同一份生物样本中的多种生物标志物同时检测增加数据可信度。目前的技术无法直接用于多种生物标志物同时检测，这些方法检测速度慢，需要的生物样本溶液多。本发明则把多个石墨烯晶体管集成在同一器件上，并经过处理后可以用少量的生物样本溶液同时检测多种生物标志物。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同步快速特异性检测生物样本中的多种生物标志物的生物传感芯片。

本发明提供的特异性检测生物样本中的多种生物标志物的生物传感芯片，是一种集成化的石墨烯晶体管器件，其中，以不同的核酸适配体作为捕获分子同时测量生物样本中的两种及以上生物标志物。

本发明设计的可以同时快速特异性检测多种生物标志物的石墨烯晶体管芯片，记为GFET；由衬底、源极、漏极和液体栅极组成，在源极和漏极之间有一个薄的石墨烯通道，厚度为1-5纳米；石墨烯沟道表面修饰有1-芘丁酸N-羟基琥珀酰亚胺酯；在不同沟道区域间隔处沉积有氧化物材料，作为阻挡层，该阻挡层经过疏水化处理；石墨烯通道和金属电极接触形成导电沟道；

进一步地，所述石墨烯沟道数量为2个以上；

进一步地，同一衬底上，可以排布多个石墨烯晶体管器件，不同区域石墨烯晶体管器件，是根据需要检测的生物标志物类别数量划分的，为2个以上；

进一步地，不同石墨烯晶体管器件的石墨烯通道上修饰有不同的适配体，进行功能化处理。

本发明可以利用石墨烯的电学性质改变对混合样本溶液中多种生物标志物进行快速特异性检测。

本发明提供的石墨烯晶体管芯片其制备方法，在衬底上沉积金属电极，并利用光刻、刻蚀等半导体工艺制备出源漏金属电极之间的石墨烯沟道，利用电子束蒸镀等手段对器件不同沟道区域间隔处沉积氧化物材料作阻挡层并进行疏水化处理，从而可以不用设计复杂的微流控技术就实现分别对不同区域石墨烯沟道进行化学修饰功能化，进而实现对同一种生物样本中的多种生物标志物进行快速特异性检测。具体步骤如下：

(1)在晶圆衬底上通过光刻或掩膜的方法沉积金属，作为晶体管的三端电极；通过生长或转移方法将石墨烯固定在器件衬底特定位置；

(2)采用光刻、刻蚀等半导体工艺制造出源漏电极之间的石墨烯沟道，沟道厚度为1-5纳米；

(3)在不同区域石墨烯晶体管器件之间沉积疏水材料，对器件进行疏水化处理，或用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为屏障，以便各石墨烯晶体管器件进行独立功能化步骤；

(4)制备溶解在有机溶剂中的1-芘丁酸N-羟基琥珀酰亚胺酯，并将其修饰在石墨烯沟道表面，过程中用乙醇清洗后的玻璃器皿放置在装置上，以减轻DMF蒸发风险；

(5)采用有机溶剂冲洗石墨烯晶体管器件一次，去离子水冲洗三次的冲洗方法，快速冲洗，避免GFET干燥；

(6)对不同石墨烯晶体管器件用几种不同的溶解于缓冲液中的适配体修饰，并用1x PBS冲洗。

本发明中，步骤(1)中所述的晶圆衬底材料为硅/二氧化硅、玻璃或石英。

本发明中，步骤(1)中所述作为电极的金属材料为Pt、Au、Ag等金属材料中的一种；电极材料粘附层为Ti、Cr、Ni、Hf等金属材料中的一种。

本发明中，步骤(1)中所述的石墨烯可采用物理气相沉积、电子束蒸发、磁控溅射等方法淀积，或者采用转移的方法从其他金属或衬底上将石墨烯固定在器件衬底特定位置。

本发明中，步骤(1)中所述的三端电极分别为源极、漏极和栅极。源极和漏极分别连接到电池的正极和负极，以流动电流，栅电极控制电流量。

本发明中，步骤(2)中所述的石墨烯沟道数量为2个以上。

本发明中，步骤(2)中所述的石墨烯沟道位于源极和漏极之间，单原子层厚的石墨烯和金属电极接触形成导电沟道。

本发明中，步骤(3)中所述的不同区域石墨烯晶体管器件，是根据需要检测的生物标志物类别数量划分的，为2个以上。

本发明中，步骤(3)中所述的石墨烯沟道数量为2个以上。

本发明中，步骤(3)中所述的沉积疏水材料采用物理气相沉积、电子束蒸镀、磁控溅射、溶胶-凝胶方法等一种或几种，疏水材料为氧化硅、氧化铝或氧化钛等材料。

本发明中，步骤(3)中所述的疏水化处理的方法包括但不限于用脂肪醇、胺、脂肪酸、硅烷偶联剂(如APTMS、VTES)等试剂与薄膜表面的羟基反应得到疏水薄膜材料。

本发明中，步骤(3)中独立功能化过程需要使用微液滴技术，在特定的区域内滴加1-20μL范围的小液滴。

本发明中，步骤(3)中所述聚二甲基硅氧烷(PDMS)外壳通过切割大小合适的矩形PDMS片并用液态PDMS将他们固定在一起。使得盖在器件上的液体隔离开，从而保证各区域GFET的独立功能化。

本发明中，步骤(4)中有机溶剂选用二甲基甲酰胺、二甲基亚砜，N-甲基吡咯烷酮等其中一种。

本发明中，步骤(5)、(6)中需要彻底冲洗，将非特异性吸附在石墨烯表面和硅片表面的分子冲洗干净，防止其在测试过程中干扰测试结果。

本发明中，首先在沟道处石墨烯通过化学修饰分别固定2种及以上核酸适配体(作为捕获分子)，然后与待测标志物(蛋白分子或miRNA靶分子)进行分子杂交(碱基互补配对结合)，此过程会改变石墨烯材料表面电荷分布，从而改变石墨烯晶体管芯片的阈值电压及载流子迁移率，导致石墨烯器件电信号的输出发生变化。并进一步通过对其电信号的输出变化大小分析来测量相关生化分子浓度。

本发明中，选用两种阿尔兹海默症生物标志物靶标miRNA(has-mir-125b)和蛋白(Aβ42)，通过不同浓度比的混合样本溶液对两种生物标志物进行了检测，检测灵敏度低至1fM，检测时间在15分钟以内。

本发明中的多靶标石墨烯晶体管芯片实现了对有限的样本溶液中多种生物标志物同时检测，可以广泛应用于多种疾病标志物即时诊断。

和现有技术比，本发明的有益效果在于：

本发明可以同时快速检测生物样本中的多种生物标志物，由一系列石墨烯场效应晶体管组成，通过共同的栅极门控驱动检测一种复杂的生物样本中的多种生物标志物。其具有需要的生物样本少，检测步骤简单，集成度高等优点该芯片可以快速响应读取，可用于便携式现场即时检测。

本发明具备高度通用性，可以广泛地应用于各类疾病生物标志物的浓度检测。

附图说明

图1是芯片沉积好电极并做好石墨烯沟道后的示意图。

图2是在一部分器件之间沉积疏水材料或用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为屏障隔开各区域器件的示意图。

图3是在石墨烯沟道上修饰1-芘丁酸N-羟基琥珀酰亚胺酯作为连接适配体的连接体。

图4是对各晶体管传感器分别用不同适配体单独功能化的示意图。

图5是各部分待检测生物分子结合到核酸适配体的示意图。

图6是单个石墨烯晶体管测量时结构示意图。

图7是对两种不同浓度生物标志物的混合溶液检测结果图。

图中标号：101为以硅/二氧化硅晶圆作为衬底的生物传感芯片，102为进行过疏水处理后的生物传感芯片，103为修饰完连接体1-芘丁酸N-羟基琥珀酰亚胺酯的生物传感芯片，104为完成石墨烯表面功能化修饰的生物传感芯片，105为检测过程中与待测生物分子结合的生物传感芯片；1001为硅层，1002为二氧化硅层，1003为金属电极，1004为石墨烯沟道；1005为疏水材料或PDMS，1006为修饰在石墨烯沟道上的1-芘丁酸N-羟基琥珀酰亚胺酯，1007为连接在石墨烯沟道上的适配体，1008为待检测分子，1009为液体栅极。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。其中使用相同或类似的标号表示相同或类似的材料或具有相同或类似功能。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的方法进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明仅提供了一种较佳实施例，但并不用以限制本发明，本领域普通技术人员可以意识到其他工艺步骤或其他材料的应用可能性。

首先，如图1所示，本发明实施例中，采用硅/二氧化硅晶圆作为衬底，包括硅层1001，其上面的二氧化硅层1002。在衬底上沉积有金属电极1003。而后在金属电极源极和漏极之间构建石墨烯沟道1004。石墨烯沟道形成后构建为石墨烯场效应晶体管，其数量可根据芯片大小及石墨烯场效应晶体管大小调整，本发明示例中采用的数量为4个。图1整体标记为101。

如图2所示，在器件之间区域沉积疏水材料或用聚二甲基硅氧烷(PDMS)1005作为屏障隔开各个器件，使得在后续步骤中可以对各器件单独功能化。图2整体标记为102。

如图3所示，将溶解在有机溶剂中的中间连接体1-芘丁酸N-羟基琥珀酰亚胺酯1006修饰在石墨烯沟道上。图3整体标记为103。

如图4所示，对不同的器件用不同待测生物分子的适配体1007修饰，分别可为适配体1、2、3…适配体们通过中间连接体连接在石墨烯沟道上。图4整体标记为104。

如图5所示，待检测样本中不同的分子1008特异性连接到不同的器件上，并引起石墨烯沟道的电学信号发生变化。可根据检测到的变化程度大小确定各待检测物质的浓度；图5整体标记为105。

如图6所示，本发明的石墨烯晶体管结构为在源极和漏极之间构建石墨烯沟道，测试时采用液体做栅极1009，通过固定在石墨烯表面的适配体1007与待检测分子1008的结合改变石墨烯表面电荷分布，从而得到相应的电学信号改变。

如图7所示，根据两种不同浓度配比的生物标志物混合样本(10nM has-miR-125b&1fM Aβ42)得到检测结果，并与不固定适配体的石墨烯沟道检测结果对比证明本发明石墨烯晶体管芯片可以从同一混合样本溶液中同时检测到两种生物标志物，检测灵敏度低至1fM。

Claims (8)

1.一种同时快速特异性检测多种生物标志物的石墨烯晶体管芯片，记为GFET；其特征在于，由衬底、源极、漏极和液体栅极组成，在源极和漏极之间有一个薄的石墨烯通道，厚度为1-5纳米；石墨烯沟道表面修饰有1-芘丁酸N-羟基琥珀酰亚胺酯；在不同沟道区域间隔处沉积有氧化物材料，作为阻挡层，该阻挡层经过疏水化处理；石墨烯通道和金属电极接触形成导电沟道；

所述石墨烯沟道数量为2个以上；

同一衬底上，排布有多个石墨烯晶体管器件，不同区域石墨烯晶体管器件，根据需要检测的生物标志物类别数量划分，数量为2个以上；

不同石墨烯晶体管器件的石墨烯通道上修饰有不同的适配体，进行功能化处理。

2.一种如权利要求1所述石墨烯晶体管芯片的制备方法，其特征在于，在衬底上沉积金属电极；在源漏金属电极之间制备石墨烯沟道；在器件不同沟道区域间隔处沉积氧化物材料作阻挡层并进行疏水化处理，实现对同一种生物样本中的多种生物标志物进行快速特异性检测；具体步骤如下：

(1)在晶圆衬底上通过光刻或掩膜的方法沉积金属，作为晶体管的三端电极；通过生长或转移方法将石墨烯固定在器件衬底特定位置；

(2)采用光刻、刻蚀半导体工艺制造源漏电极之间的石墨烯沟道；

(3)在不同区域石墨烯晶体管器件之间沉积疏水材料，对器件进行疏水化处理，或用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为屏障，以便各石墨烯晶体管器件进行独立功能化操作；

(4)将1-芘丁酸N-羟基琥珀酰亚胺酯溶解在有机溶剂中，并将其修饰在石墨烯沟道表面：

(5)采用有机溶剂冲洗石墨烯晶体管器件一次，去离子水冲洗三次；

(6)对不同石墨烯晶体管器件用几种不同的溶解于缓冲液中的适配体修饰，并用1xPBS冲洗。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中：

所述的晶圆衬底材料为硅/二氧化硅、玻璃或石英；

所述作为电极的材料为Pt、Au、Ag中的一种；电极材料粘附层为Ti、Cr、Ni、Hf中的一种。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的石墨烯采用物理气相沉积、电子束蒸发或磁控溅射方法淀积，或者采用转移的方法从其他金属或衬底上将石墨烯固定在器件衬底特定位置。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的三端电极分别为源极、漏极和栅极；源极和漏极分别连接到电池的正极和负极，以流动电流，栅电极控制电流量。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中：

所述的沉积疏水材料采用物理气相沉积、电子束蒸镀、磁控溅射、溶胶-凝胶方法中一种或几种，疏水材料为氧化硅、氧化铝或氧化钛等材料；

所述的疏水化处理的方法为用脂肪醇、胺、脂肪酸、硅烷偶联剂试剂与薄膜表面的羟基反应得到疏水薄膜材料。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中：

独立功能化过程使用微液滴技术，在特定的区域内滴加1-20μL范围的小液滴；

所述聚二甲基硅氧烷(PDMS)外壳通过切割大小合适的矩形PDMS片并用液态PDMS将他们固定在一起，使得盖在器件上的液体隔离开，保证各区域GFET的独立功能化。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述有机溶剂选自二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮中的一种。