基于石墨烯的介电泳传感器和方法技术

介电泳(DEP)传感器包括：与通道相邻的石墨烯电极，该通道用于将靶标颗粒限制在液体中；附着到石墨烯电极表面的表面探针，该表面探针与该靶标颗粒具有选择性反应；以及电压源，该电压源电连接到石墨烯电极，并且被配置成向石墨烯电极施加电压以引起在石墨烯电极处对靶标颗粒的DEP俘获。处对靶标颗粒的DEP俘获。处对靶标颗粒的DEP俘获。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于石墨烯的介电泳传感器和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2018年6月5日提交的美国申请序列号第62/680,777号的优先权。该在前申请的公开内容被视为本申请的公开内容的一部分，并且以其整体被包含在本申请中。
技术背景
[0003]根据世界卫生组织，每年有5.5亿人由于食源性肠道疾病而生病，并且230,000人死于这些疾病。来自沙门氏菌属和大肠杆菌(E.coli)的感染是这些肠道疾病中最常见的几种。沙门氏菌属是在动物中发现的细菌，如果摄入，则可能引起严重的健康问题。对于诸如幼儿、老年人和具有弱化的免疫系统的人之类的具有高并发症风险的人而言此类问题是特别严重的。类似地，大肠杆菌是一种大肠菌，取决于细菌的品种和人的易感性，大肠杆菌可引起人类的疾病或甚至死亡。在明尼苏达州和全国各地，沙门氏菌属和大肠杆菌的爆发仍然是对公众健康的持续威胁。
[0004]通常使用的病原体细菌DNA的测试方法包括培养和/或聚合酶链反应(PCR)分析，这是用于使用一系列重复的扩增序列来扩增靶标DNA分子的实验室技术。PCR具有优异的灵敏度，但是需要几十个循环来确定特定物种的存在或不存在，这既耗时又昂贵，并且通常需要初始富集培养步骤。正在开发检测食品或临床样品中病原体生物的日益快速和灵敏的方法。具体而言，因为沙门氏菌属作为食源性病原体的重要性，已经在寻求用于快速测量这种细菌的方法，最近的进展已经进一步提高了使用其他方法的检测速度和灵敏度，但是这些方法仍然达不到手持式系统所需的速度和灵敏度。
[0005]手持式系统的DNA检测的一种特别有前途的方法涉及使用基于石墨烯的传感器，并且文献中的许多报告已经表明，石墨烯可以提供一种出色的替代方法来选择性地感测DNA。石墨烯是sp2键合碳的二维薄片，可以通过机械剥离或通过使用化学气相沉积(CVD)在铜片上生长来耦单层形式实现石墨烯。
[0006]由于其单层性质，石墨烯可以对吸附的生物分子提供优异的灵敏度，并且还可以官能化以选择性地提供给化学活性靶标。
[0007]传统的石墨烯传感器使用简单的扩散过程来将颗粒吸引到表面。这可能很慢。另一方面，介电泳(DEP)可用于将颗粒吸引到高电场梯度的区域，但是不提供方便的选择性感测手段。在本专利技术中，描述了一种传感器，该传感器通过使用在表面上用探针材料官能化的石墨烯解决了如何在基于DEP的传感器内实现选择性的问题。它还提供了一种方法来分离相对较大的DEP吸引偏置电压和通常较小的感测偏置电压。

技术实现思路

[0008]在某些方面，本专利技术的特征在于一种利用表面官能化以实现特异性和选择性感测的石墨烯边缘介电泳(DEP)传感器。在一些方面，本专利技术的特征在于一种检测所述传感器的选择性响应的方法。
[0009]在一些实施例中，基于石墨烯的DEP传感器使用在石墨烯或相邻表面(或基材)上的表面官能化来实现选择性。基于石墨烯的DEP传感器可以使用随时间变化的激励来进行DEP吸引，这使得能够独立于DEP AC激励读出传感器响应。
[0010]除了其他优点，实施例可以使用基于DEP的石墨烯传感器来实现对一系列靶标分子或生物颗粒的选择性。实施例还可以使得能够在存在旨在将颗粒吸引到石墨烯边缘的相对较大的AC激励的情况下读出传感器响应。
[0011]以下附图和描述阐述了本专利技术的一个或多个实施例的细节。本公开的其他特征、对象以及优点将根据说明书、附图以及权利要求书而显而易见。
附图说明
[0012]图1a-1c是示出基于电阻的DEP传感器的俯视图的示意图。图1a示出了在含有靶标的溶液中的具有附着在石墨烯表面上的探针的传感器。图1b示出了经由施加的AC偏置使用DEP将靶标吸引到石墨烯边缘的传感器。图1c示出了在移除DEP激励之后靶标结合到附近探针，从而实现传感器读数。
[0013]图2a-2c是示出基于电容的DEP传感器的俯视图的示意图。图2a示出了在含有靶标的溶液中的具有附着在石墨烯表面上的探针的传感器。图2b示出了经由施加的AC偏置使用DEP将靶标吸引到石墨烯边缘的传感器。图2c示出了在移除DEP激励之后靶标结合到附近探针以使得能够进行传感器读出。
[0014]图3示出了所施加的电压信号和对基于电阻的DEP传感器的预期响应的曲线图。
[0015]图4示出了所施加的电压信号和对基于电容的DEP传感器的预期响应的曲线图。
[0016]图5a和图5b示出了具有变化的AC偏置的基于电容的DEP传感器的预期响应的曲线图。
[0017]图6a-6e示出了石墨烯边缘DEP镊的制造过程。图6a示出了栅极氧化物凹陷和栅极金属图案化。图6b示出了石墨烯转移。图6c示出了石墨烯图案化成俘获区段。图6d示出了接触部金属化和剥离。图6e示出了使用探针物体进行表面官能化。
[0018]各个附图中相同的附图标记指示相同的要素。
具体实施方式
[0019]图1a示出了石墨烯边缘介电泳传感器105的实施例。特定传感器在电阻感测模式下操作，如我们先前已经在2017年6月16日提交的题为“Electrodes formed from 2D materials for dielectrophoresis and systems and methods for utilizing the same(用于介电泳的由2D材料形成的电极和使用该电极的系统和方法)”的临时申请第62/521,096号中和在2018年6月18日提交的美国2018/0361400中描述的，这两个专利的全部内容都通过引用结合于此。
[0020]DEP传感器105包括第一指状电极113、石墨烯电极182和接触部184。接触部184被电耦合到石墨烯电极182。DEP传感器105是三端子设备，其中第一指状电极113用作栅极电极，并且两个接触部184用作源极端子和漏极端子。石墨烯电极182被布置成蛇形形状以增加与第一指状电极113的交叉位点。增加交叉位点导致可以俘获颗粒的边缘的数量增加。例如，石墨烯电极180的蛇形条带的宽度可在100nm到5μm的范围，并且第一指状电极113的宽
度可在0.1μm到5μm的范围。
[0021]石墨烯电极182与第一指状电极113电隔离。例如，可将类似于绝缘层130的绝缘层布置在第一指状电极113和石墨烯电极182之间。因此，DEP传感器105的示例层叠可以以所列出的顺序包括：第一指状电极113、绝缘层、以及石墨烯电极182。绝缘层可充当由石墨烯电极182和第一指状电极113形成的3端子FET设备的“栅极氧化物”。
[0022]接触部184可以由各种导电材料形成。导电材料的示例包括金属、硅化物、或合金，诸如金、钯、铂、钨、铬、钛、铱、钼、铝、或铜。在一些实施方式中，可以堆叠不同的导电材料层以形成接触部184。
[0023]可以通过以下操作来对DEP传感器105进行电测量：经由接触部184在石墨烯电极182的两端之间施加DC电压、或AC电压、或它们两者(被统称为“测量电压”)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种介电泳(DEP)传感器，包括：石墨烯电极，所述石墨烯电极与用于将靶标颗粒限制在液体中的通道相邻；表面探针，所述表面探针附着到所述石墨烯电极的表面，所述表面探针具有与所述靶标颗粒的选择性反应；以及电压源，所述电压源电连接到所述石墨烯电极，并且被配置成向所述石墨烯电极施加电压以引起在所述石墨烯电极处对所述靶标颗粒的DEP俘获。2.如权利要求1所述的DEP传感器，其特征在于，所述表面探针和靶标颗粒是选自由以下各项组成的基团的互补对：分子、蛋白质、适体、抗体、脂质、囊泡、细胞衍生的颗粒、官能化的纳米颗粒和整个细胞。3.如权利要求1或2所述的DEP传感器，其特征在于，所述石墨烯电极包括多个条带。4.如权利要求3所述的DEP传感器，其特征在于，所述条带彼此平行。5.如前述权利要求中任一项所述的DEP传感器，进一步包括：第二电极，所述第二电极与所述石墨烯电极重叠并且与所述电压源电连接。6.如权利要求5所述的DEP传感器，进一步包括与所述石墨烯电极和所述第二电极电连通的源表。7.如前述权利要求中任一项所述的DEP传感器，其特征在于，所述DEP传感器是基于电阻的传感器。8.如前述权利要求中任一项所述的DEP传感器，其特征在于，所述DEP...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：明尼苏达大学董事会，
类型：发明
国别省市：