一种双通道检测的生化传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于二维材料量子电容

【技术实现步骤摘要】
一种双通道检测的生化传感器


[0001]本专利技术涉及生物化学检测的
，具体地，本申请提供了基于量子电容
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电导双通道检测的分析型二维材料生化传感器及其在离子检测中的应用。

技术介绍

[0002]移动通讯和微型电子设备的大规模运用，以及相关的互联技术在工业和日常生活中的日益普及，对研发应用于各种环境中的紧凑型传感器设备提出了新的要求。而新型纳米材料作为开发下一代传感器的核心功能组件的基础，正受到越来越多的关注。通过对此类纳米材料理化特性的精准调控，往往能够针对特定的传感目标实现超灵敏检测。以石墨烯、MoS2等为代表的二维材料是这些新型材料中重要的一类。自2004年石墨烯被首次制备以来，得益于石墨烯二维材料优异的电学特性和良好的生物相容性、稳定性等，Gr
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FET在IVD医疗检测、环境目标分子的检测应用上具有独特优势：i)二维材料所有原子都位于表面，因此其对环境变化极为敏感，检测灵敏度高；ii)其传感原理基于通过场效应检测目标生物化学分子的电荷。而生物化学分子在二维材料表面的吸附较快，同时电信号探测本身具有实时性，因此检测所需时间短，可实现在线快速检测。同时，近年来石墨烯的高质量、大面积制备技术也得到了长足的进步，业界已实现晶圆级石墨烯芯片的可控制备，使石墨烯应用于各类生化传感器的图景不再仅停留于实验室。比如，美国Nanosens公司曾将Gr
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FET和CRISPR
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Cas9基因编辑技术结合[Nat.Bio.Eng.,https://doiDOI:.org/10.1038/s41551
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019
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0371
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x]，在没有任何预扩增前处理的情况下，其短时间内对肌营养不良基因组特定基因突变的检测极限可比对甚至优于PCR荧光等技术。近期，使用石墨烯晶体管对SARS
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CoV
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2病毒进行快速(1分钟)临床检测的文章就在知名期刊ACS Nano发表。其对临床样品的检测灵敏度达到243copies/mL，为基于二维材料实现紧凑、快速的诊断系统提供了直接依据[ACS Nano,DOI:：10.1021/acsnano.0c02823]。
[0003]已有二维材料场效应生物化学传感器主要靠二维材料电导(或电阻)信号变化来探测生物标志物在二维材料表面的(解)吸附与(解)结合过程。然而，在这样一个复杂的表面相互作用过程中，带电的生物标志物不仅能够通过场效应影响二维材料的载流子浓度，同时，其可能作为散射中心改变二维材料的载流子迁移率。因此，经典的电导(或电阻)测试不能区分二维材料载流子浓度和迁移率的变化，也就无法探明生物传感的电荷或散射机制。即在分析生物分子与二维材料表面相互作用这一关键传感过程时，表现出了极大的局限性。利用半导体霍尔效应能够分别获得上述二维材料载流子浓度和迁移率，从而区分其生化传感机制 [Adv.Funct.Mater.2013,23,2301]。但是，霍尔测试一般需要搭载较为笨重的永磁体[Adv. Funct.Mater.2013,23,2301]，这就难以满足便携式测量对于安全性的要求。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，申请人提供了：
[0005]一方面，本申请提供了一种基于量子电容
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电导双通道检测的分析型二维材料生化传感器，其特征在于，所述分析型二维材料生化传感器包含二维材料量子电容检测和电导检测两个传感通道。
[0006]进一步地，所述分析型二维材料生化传感器包括衬底和溶液；所述衬底上设有二维材料层；所述二维材料层两端设有源、漏电极，构成二维材料面内电导检测传感通道；所述溶液中设有液栅电极，其与二维材料层构成面外的量子电容检测传感通道。
[0007]进一步地，所述溶液滴加于设有二维材料层的衬底上或者将设有二维材料层的衬底置于溶液中。
[0008]进一步地，所述源漏极电极材料选自金、铂金、银、铜、或铝。
[0009]进一步地，所述液栅电极选自的Ag/AgCl、Hg/Hg2SO4、可逆氢电极
[0010]进一步地，所述二维材料选自；石墨烯、还原氧化石墨烯、二硫化钼或氮化硼；所述二维材料通过湿法或干法转移到衬底上；或直接采用CVD法生长在绝缘的蓝宝石或覆盖有绝缘 SiO2层的硅晶圆衬底上。
[0011]进一步地，所述衬底选自硅、醋酸纤维素或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
[0012]进一步地，所述衬底为硅衬底；以金属箔作基底，利用CVD方法生长单层石墨烯薄层，将石墨烯薄层通过PMMA法转移至所述硅衬底上；所述液栅电极为Ag/AgCl赝参比电极；所述溶液为pH值为6.5
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7.5的磷酸盐缓冲液；将设有二维材料层的衬底置于所述溶液中。
[0013]或者，所述衬底为PET衬底；将二硫化钼薄层转移至衬底上；所述液栅电极为Hg/Hg2SO4电极；所述溶液为pH值为6.5
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7.5的磷酸盐缓冲液；将所述溶液滴加于设有二维材料层的衬底上。
[0014]或者，所述衬底为醋酸纤维素衬底；将氮化硼薄层转移至衬底上；所述液栅电极为可逆氢电极；所述溶液为pH值为6.5
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7.5的磷酸盐缓冲液；将所述溶液滴加于设有二维材料层的衬底上。
[0015]另一方面，本申请提供了使用上述分析型二维材料生化传感器的离子检测或分析方法，其特征在于，所述方法包括：通过扫描不同的栅极电压，得到器件的量子电容及电导特征曲线；通过改变待测离子的浓度，得到浓度变化后的量子电容及电导特征曲线，解耦合后获得浓度依赖的二维材料电导、载流子浓度及迁移率特征曲线。
[0016]进一步地，所述离子可选氢离子、铵根离子、锂离子、钾离子、钠离子、钙离子、镁离子、铝离子、锰离子、锌离子、铬离子、铁离子、亚铁离子、砷离子、铅离子、铜离子、亚铜离子、汞离子、银离子、氢氧根离子、硝酸根离子、氯离子、硫酸根离子、亚硫酸根离子、硫离子、碳酸根离子、硅酸根离子、磷酸根离子。
[0017]本申请的场效应晶体管器件采用传统经典的顶栅底接触结构器件，包括栅极、源级和漏极。
[0018]除上述材料外，液栅电极可以根据需要选用铂丝、金丝或石墨电极等已知可用材料。
[0019]除上述材料外，二维材料可以根据需要选用、硅烯、锗烯、磷烯、硼烯、锡烯、氮化硼、、二硫化钨、二硫化铼、二硒化铼、碳化钼、碳化二钨、碳化钨、碳化钽、有金属有机骨架化合物，共价有机骨架化合物、层状双氢氧化物，氧化物等已知可用材料。
[0020]除上述材料外，衬底可以根据需要选用塑料、玻璃、蓝宝石、镀有二氧化硅的硅片、
聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚异丁烯、聚丙烯腈、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯、脲醛树脂、三聚氰胺
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甲醛树脂、三聚氰胺脲醛树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚甲醛、聚氧化乙烯、聚己二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于量子电容
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电导双通道检测的分析型二维材料生化传感器，其特征在于，所述分析型二维材料生化传感器包含二维材料量子电容检测和电导检测两个传感通道。2.根据权利要求1所述的分析型二维材料生化传感器，所述分析型二维材料生化传感器包括衬底和溶液；所述衬底上设有二维材料层；所述二维材料层两端设有源、漏电极，构成二维材料面内电导检测传感通道；所述溶液中设有液栅电极，其与二维材料层构成面外的量子电容检测传感通道。3.根据权利要求2所述的分析型二维材料生化传感器，所述溶液滴加于设有二维材料层的衬底上或者将设有二维材料层的衬底置于溶液中。4.根据权利要求2或3所述的分析型二维材料生化传感器，所述源漏极电极材料选自金、铂金、银、铜、或铝。5.根据权利要求2
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4任一项所述的分析型二维材料生化传感器，所述液栅电极选自的Ag/AgCl、Hg/Hg2SO4、可逆氢电极。6.根据权利要求2
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5任一项所述的分析型二维材料生化传感器，所述二维材料选自；石墨烯、还原氧化石墨烯、二硫化钼或氮化硼；所述二维材料通过湿法或干法转移到衬底上；或直接采用CVD法生长在绝缘的蓝宝石或覆盖有绝缘SiO2层的硅晶圆衬底上。7.根据权利要求2
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6任一项所述的分析型二维材料生化传感器，所述衬底选自硅、醋酸纤维素或聚对苯二甲酸乙二醇酯。8.根据权利要求2
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7任一项所述的分析型二维材料生化传感器，所述衬底...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓艳，符汪洋，包磊，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：