CN204882454U - 一种光可逆的场效应晶体管生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种光可逆的场效应晶体管生物传感器，包括基底层，所述基底层上设有金属电极对，所述金属电极对的两个金属电极之间设有导电通道，所述导电通道由石墨烯层和沉积在石墨烯层上的还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层覆盖在两电极之间形成，所述金属电极分别与外侧信号检测装置连接。本实用新型场效应晶体管生物传感器可以对生物样本进行检测，并且在检测完成后，通过紫外光照处理就能实现重复使用；所述场效应晶体管生物传感器以电子检测为手段，无需标记、灵敏度高、轻巧方便、携带方便、能与现代微电子技术联用、易于实现微型化和集成化，并且具有光可逆性，可重复利用等优点，必将在临床疾病诊断方面发挥重要作用。
Description
技术领域
本实用新型涉及生物传感器，特别涉及一种光可逆的场效应晶体管生物传感器。
背景技术
近年来，以纳米生物传感器为代表的新型分子识别技术，由于其具有实时检测、准确定量、灵敏度高、特异性高、无须标记等特点，逐渐受到研究者的重视，被认为是现代临床诊断和检验的一个新的发展方向。同时生物传感器具有操作简单、环境要求简单、检测设备易于微型化等特点，使其具有更大的临床应用价值，已在基因、蛋白、细胞、病原微生物等检测方面得到了极大的应用。但是，目前出现的各种纳米生物传感器大多数都存在着只能一次性使用，或者通过各种复杂的操作才能重复使用的问题，这就使得在纳米生物传感器的研制过程中产生研制材料浪费和环境污染等问题。
石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构。和其它结构相比，石墨烯具有极高的电导率、热导率、及出色的机械强度；并且作为单原子平面二维晶体，石墨烯在高灵敏度检测领域具有独特的优势。二氧化钛是一种重要的光催化剂，可以有效地降解各种有机分子，而且原料容易获得，价格低廉，制备过程简单。还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物已经通过氧化石墨烯/二氧化钛水热还原成功的合成，这种纳米复合物具有更高的光催化活性，并且更容易与石墨烯结合，从而构建更高性能的纳米生物传感器。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种光可逆的场效应晶体管生物传感器。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一种光可逆的场效应晶体管生物传感器，其特征在于：它包括基底层，所述基底层上设有金属电极对，所述金属电极对的两个金属电极之间设有导电通道，所述导电通道由还原氧化石墨烯层和沉积在还原氧化石墨烯层上的还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层覆盖在两电极之间形成，所述金属电极分别与外侧信号检测装置连接。
上述方案中，所述还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层上连接有探针修饰分子。
上述方案中，所述探针修饰分子为通过化学键与还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层上的还原氧化石墨烯键连的抗体修饰分子、PNA修饰分子或DNA修饰分子。
上述方案中，所述基底层由硅基质及沉积在硅基质上的二氧化硅构成。
本实用新型将还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层沉积在石墨烯层的表面，并对还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层进行化学修饰，在还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层上键连不同的生物分子如蛋白质，DNA作为受体，可以开展针对与目前全世界范围内的流行性疾病，例如肝炎、艾滋病、肺结核、头号杀手癌症和致命杀手心脏病等疾病及相关疾病的诊断研究，并且该场效应晶体管生物传感器在使用过后，可以通过简单的紫外光照的处理，降解其表面键连的生物分子，从而达到有效地重复使用，减少化学材料的浪费和污染。
本实用新型的有益效果：
本实用新型提供的场效应晶体管生物传感器可以对生物样本进行检测，并且在检测完成后，通过紫外光照处理就能实现重复使用；所述场效应晶体管生物传感器以电子检测为手段，无需标记、灵敏度高、轻巧方便、携带方便、能与现代微电子技术联用、易于实现微型化和集成化，并且具有光可逆性，可重复利用等优点，必将在临床疾病诊断方面发挥重要作用。
附图说明
图1为本实用新型光可逆的场效应晶体管生物传感器的结构示意图，图中：1为硅基质，2为二氧化硅，3为金属电极，4为还原氧化石墨烯层，5为还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层，6为探针修饰分子。
图2为本实用新型光可逆的场效应晶体管生物传感器的光可逆实验结果。
图3为本实用新型光可逆的场效应晶体管生物传感器用于检测抗原(D二聚体)的电学曲线变化图。
具体实施方式
为了更好地理解本实用新型，下面结合实施例进一步阐明本实用新型的内容，但不仅仅局限于下面的实例。
实施例1
参照图1所示，本实用新型所述光可逆的场效应晶体管生物传感器，包括基底层，所述基底层由硅基质(1)及沉积在硅基质上的二氧化硅(2)构成，基底层上设有平行的金属电极对(3)，所述金属电极对的两条金属电极之间通过覆盖石墨烯层(4)并在还原氧化石墨烯层上沉积还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层(5)形成导电通道，金属电极与外侧信号检测装置连接。
其中，在所述还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层上连接有探针修饰分子(6)；所述探针修饰分子为通过化学键与还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层上的还原氧化石墨烯键连的抗体修饰分子、PNA修饰分子或DNA修饰分子。
本实用新型所述光可逆的场效应晶体管生物传感器具体地制作过程为：在基底层上两金属电极之间覆盖还原氧化石墨烯层，然后在其上沉积还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层，随后使用N-羟基琥珀酰亚胺酯1-芘丁酸作为链接分子，利用其苯环结构π-π堆积作用结合在还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层表面，再利用其游离的醛基与探针上的氨基发生希夫反应，将探针分子连接在还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层上后得到光可逆的场效应晶体管生物传感器；其工作原理为：将含待测目标抗原的反应液滴加到导电通道处，使之覆盖金属电极对，待测目标抗原会与抗体修饰分子相互结合，结合后带负电的抗原与石墨烯发生相互作用，使石墨烯发生n型掺杂，从而引起石墨烯狄拉克点的变化，然后通过外侧电信号检测装置即可以观察到与待测目标抗原的浓度相对应的电信号变化，由此，可以通过这种电信号的变化来确定未知待测目标抗原的浓度；检测完成后，在紫外灯光照射后，还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层中的二氧化钛价带上的电子(e-)被激发跃迁至导带，在价带上产生相应的空穴(h+)，并在电场作用下分离并迁移至粒子表面。这种光生空穴具有很强的得电子能力，能够从水中夺取电子产生羟基自由基，氧化与还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层连接的有机物分子，冲洗干净后，通过外侧电信号检测装置即可观察狄拉克点恢复原始状态。
本实施例光可逆的石墨烯场效应晶体管生物传感器的使用方法如下：
(1)首先使用N-羟基琥珀酰亚胺酯1-芘丁酸作为链接分子，利用其苯环结构π-π堆积作用结合在还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层表面，再利用其游离的醛基与修饰探针上的氨基发生希夫反应，将探针分子连接在还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层上得到光可逆的场效应晶体管生物传感器；
(2)然后在导电通道处滴加10μL0.01xPBS缓冲液，使该缓冲液覆盖金属电极对，再在该缓冲液液滴上插入一根银线作为栅极，两个金属电极分别与外侧信号检测装置连接，由栅极和外侧信号检测装置连接形成一个独立的电流通路，测定未结合抗原的抗体所对应的电流；然后在导电通道处滴加一滴含抗原的待测样本反应液，使该反应液滴覆盖金属电极对，待样本中抗原与抗体修饰分子杂交1小时后，冲洗吹干，再在导电通道处滴加10μL0.01xPBS缓冲液，使该缓冲液覆盖金属电极对，再在该缓冲液液滴上插入一根银线作为栅极，两个金属电极分别与外侧信号检测装置连接，由栅极和外侧信号检测装置连接形成一个独立的电流通路，测定抗原和抗体杂交后所对应的电流；
(3)每次待测样本反应液检测完成后，将石墨烯场效应晶体管生物传感器置于纯水中，用1000W紫外灯照射一个小时，然后取出用纯水冲洗，静置半个小时后，在导电通道处滴加10μL0.01×PBS缓冲液，使该缓冲液覆盖金属电极对，再在该缓冲液液滴上插入一根银线作为栅极，两个金属电极分别与外侧信号检测装置相连接，由栅极和外侧信号检测装置连接形成一个独立的电流通路，测定光照后的电学特征。
本实用新型所述光可逆的场效应晶体管生物传感器的可逆实验结果见图2。由图可见，横轴表示可逆性实验的次数，纵轴表示此新型生物传感器修饰抗体、检测以及光照后狄拉克点电压的变化，该结果显示，在固定抗体后，由于所用抗体的等电点在8左右，而所用PBS缓冲液PH＝7.4，所以抗体带正电，修饰在传感界面上时，形成一个P型的掺杂，狄拉克点电压值增加，而加入抗原后，由于抗原等电点在4左右，在该PBS溶液中带负电，使传感界面产生一个N型的掺杂，狄拉克点电压值减少。最后，光照时使得其表面的生物分子被降解，冲洗后传感界面又恢复接近修饰抗体前的水平，狄拉克点电压值同样恢复到接近抗体修饰前的水平。图2的结果说明：本实用新型的场效应晶体管生物传感器具有可逆性，可以实现重复使用。
图3是当带负电的抗原与固定在还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物表面上的抗体结合时时产生一个N型的掺杂，电学信号曲线随之左移。图3结果表明，链接有抗体修饰分子的场效应晶体管可以用于相应抗原的检测。
综上，本实施例所述的石墨烯场效应晶体管生物传感器可以对生物样本进行检测，并且在检测完成后，通过紫外光照处理就能实现重复使用；所述场效应晶体管生物传感器以电子检测为手段，无需标记、灵敏度高、轻巧方便、携带方便、能与现代微电子技术联用、易于实现微型化和集成化，并且具有光可逆性，可重复利用等优点，必将在临床疾病诊断方面发挥重要作用。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种光可逆的场效应晶体管生物传感器，其特征在于：它包括基底层，所述基底层上设有金属电极对，所述金属电极对的两个金属电极之间设有导电通道，所述导电通道由还原氧化石墨烯层和沉积在石墨烯层上的还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层覆盖在两电极之间形成，所述金属电极分别与外侧信号检测装置连接。
2.根据权利要求1所述光可逆的场效应晶体管生物传感器，其特征在于，所述还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层上连接有探针修饰分子。
3.根据权利要求2所述光可逆的场效应晶体管生物传感器，其特征在于，所述探针修饰分子为通过化学键与还原氧化石墨烯/二氧化钛复合物层上的还原氧化石墨烯键连的抗体修饰分子、PNA修饰分子或DNA修饰分子。
4.根据权利要求1所述光可逆的场效应晶体管生物传感器，其特征在于，所述基底层由硅基质及沉积在硅基质上的二氧化硅构成。
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