一种硅纳米线场效应葡萄糖传感器及其制备方法技术

本发明专利技术属于葡萄糖生物传感器技术领域，公开了一种硅纳米线场效应葡萄糖传感器及其制备方法。该葡萄糖传感器采用与CMOS工艺兼容的硅纳米线场效应传感器，在硅纳米线表面功能化混合自组装催化层，通过将3

【技术实现步骤摘要】
一种硅纳米线场效应葡萄糖传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于葡萄糖生物传感器
，具体涉及一种硅纳米线场效应葡萄糖传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]近十几年来，与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容场效应生物传感器引起了许多研究人员的重视，这是由于场效应生物传感器具有灵敏、选择性、快速、经济、简单等特点，在基于场效应生物传感器制造中，一维纳米材料（如碳纳米管、硅纳米线等）作为导电沟道已被广泛应用于通过监测电流变化来检测各种疾病生物标志物，例如病毒、蛋白质、DNA、抗原、小分子等。硅纳米线场效应（SiNW
‑
FET）生物传感器已被证明是一种超灵敏的检测平台，可以对生物样品提供实时、快速和无标记的检测，与其他类型的纳米结构生物传感器相比，基于SiNW
‑
FET生物传感器得益于半导体行业的发展，具有的商业化和大规模应用。
[0003]然而，SiNW
‑
FET仅限于检测具有一定电荷的分析物，而检测弱带电或不带电的分析物如葡萄糖仍然是一个挑战。另一方面SiNW
‑
FET生物传感器在高离子强度条件下工作时，会受德拜屏蔽效应的影响从而使得该生物传感器在灵敏度等各方面受到很大的限制，因此，通过优化修饰过程是显著提高SiNW
‑
FET葡萄糖传感器的性能的关键。
[0004]因此，发展快速、高特异性、高灵敏、制作成本低、且能够在生理溶液中直接检测葡萄糖的SiNW
‑
FET葡萄糖传感器具有重要意义。

技术实现思路

[0005]针对目前现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种硅纳米线场效应葡萄糖传感器及其制备方法，能够对高离子强度溶液中葡萄糖分子进行实时，高特异性和高灵敏度的检测，并且该生物传感器具有便携、免标记、商业化和大规模应用以及大规模生产等优点。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种硅纳米线场效应葡萄糖传感器，该葡萄糖传感器采用与CMOS工艺兼容的硅纳米线场效应（SiNW
‑
FET）传感器，在硅纳米线表面修饰有混合自组装催化层，催化层中聚乙二醇（PEG）与葡萄糖氧化酶（GOD）间隔修饰，当目标葡萄糖分子存在时发生酶促反应从而检测电荷。
[0007]优选地，所述混合自组装催化层为3
‑
氨基丙基三甲氧基硅烷（APTMS）与PEG混合溶液修饰SiNW
‑
FET传感器形成胺基封端，且以戊二醛（GA）交联剂通过酰胺键将葡萄糖氧化酶（GOD）固定在硅纳米线表面，当目标葡萄糖分子存在时触发酶促反应。
[0008]由于混合自组装催化层中的PEG一方面可以显著改变高离子强度溶液的介电特性来增加德拜长度，另一方面可以作为间隔分子调控探针分子葡萄糖氧化酶的修饰密度，当葡萄糖分子存在时发生酶促反应从而检测到有效电荷，从而提高传感器的灵敏度。
[0009]本专利技术另一个目的在于提供上述一种硅纳米线场效应葡萄糖传感器的制备方法，
包括以下步骤：S1、对硅纳米线表面预处理使其表面羟基化；S2、将步骤S1所得表面被羟基封端的硅纳米线浸泡在含有APTMS和PEG的混合乙醇溶液中孵育，然后用乙醇冲洗，烘箱干燥，使SiNW
‑
FET表面形成胺基封端，之后在戊二醛溶液中孵育，并用PBS溶液冲洗，使SiNW
‑
FET表面形成胺醛基封端；S3、将步骤S2所得传感器用GOD溶液孵育过夜，清洗后干燥处理；S4、将步骤S3所得传感器用牛血清蛋白（BSA）溶液孵育进行封端。
[0010]优选地，步骤S1所述预处理包括使用丙酮、无水乙醇清洗硅纳米线表面，去除杂质，然后使用氧等离子体清洗硅纳米线表面，使其表面羟基化。
[0011]优选地，步骤S2中所述3
‑
氨基丙基三甲氧基硅烷（APTMS）与PEG的浓度比例为10:1
‑
1:10。
[0012]更优选地，步骤S2中所述APTMS浓度为0.01 mmol/L
‑
1 mmol/L，PEG溶液浓度为0.01 mmol/L
‑
3 mmol/L，聚乙二醇分子量为1KDa
‑
30KDa。
[0013]优选地，步骤S2中所述戊二醛溶液浓度为0.5％
‑
10%。
[0014]优选地，步骤S3所述GOD溶液浓度为0.1 μg/mL
‑
10 mg/mL。
[0015]优选地，步骤S4所述牛血清蛋白溶液浓度为0.01
‑
20 mg/mL。
[0016]更具体地，在本专利技术中，所述硅纳米线场效应管传感器的制备工艺可参考专利CN 113960128A，包括以下步骤：（1）制备衬底：在200 mm硅片上分别沉积145 nm的SiO2和40 nm的多晶硅；（2）通过化学气相沉积在上述SOI硅片上依次沉积SiO2/非晶硅（α
‑
Si）/SiNx薄膜，通过涂胶、前烘、紫外曝光、后烘和显影光、显影，形成矩形图案，使用干法刻蚀工艺对SiNx和α
‑
Si进行刻蚀，形成趋近90
°
陡峭度的侧壁；（3）用140℃的热H3PO4溶液去除顶部SiNx硬掩膜（HMs），使用等离子增强化学气相沉积沉积一层SiNx薄膜，然后进行相应的氮化硅反应离子刻蚀（RIE），在矩形α
‑
Si的两侧形成两个背靠背的楔形Si3N4侧墙，用四甲基氢氧化铵去除α
‑
Si，在SiO2薄膜顶部留下纳米尺度的Si3N4侧墙HMs阵列，然后利用纳米尺度的侧墙作为掩模，刻蚀底部的SiO2和单晶Si层，用热H3PO4和稀释的氢氟酸溶液去除SiNx掩膜和顶部的HMs得到均匀和一致性好的硅纳米线阵列；（4）使用镍铂合金在源区和漏区形成金属硅化物，以减少硅纳米线的寄生电阻，然后注入大剂量低能量的BF
2+
离子，随后通过低温退火激活注入的离子形成肖特基势垒源极和漏极；（5）为了更好地结合，通过溅射工艺制备铝电极，并进行RIE工艺，然后沉积一层厚的SiO2，利用光刻和蚀刻工艺打开源漏接触孔；（6）最后通过光刻技术定义了具有不同通道长度的栅极，并通过RIE工艺实现传感器的开放式栅极沟道，以暴露出敏感区域，为满足液体检测环境，在器件的表面沉积一层HfO2。
[0017]在使用本专利技术制备的葡萄糖传感器时，将传感器置于高离子强度溶液中，检测目标葡萄糖分子时，葡萄糖在GOD的催化下被转化成葡糖酸内酯和过氧化氢（H2O2），然后H2O2进一步离解，并在栅极电压下产生氢离子（H
+
）和电子（e
‑
），由于GA的连接作用使GOD更靠近
SiNW
‑
FET表面，酶促反应产生的H
+
逐渐增加并积累在SiNW沟道层和溶液的界面上，导致局部pH降低，对沟道层产生诱导作用，在栅极电压（
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅纳米线场效应葡萄糖传感器，其特征在于，所述葡萄糖传感器采用与CMOS兼容的硅纳米线场效应管传感器，并在硅纳米线表面修饰有混合自组装催化层，所述混合自组装催化层中采用聚乙二醇与葡萄糖氧化酶间隔修饰，当目标葡萄糖分子存在时发生酶促反应从而检测电荷。2.根据权利要求1所述的一种硅纳米线场效应葡萄糖传感器，其特征在于，所述混合自组装催化层为3
‑
氨基丙基三甲氧基硅烷与聚乙二醇混合溶液修饰硅纳米线表面形成胺基封端，并以戊二醛将葡萄糖氧化酶固定在硅纳米线表面形成胺醛基封端。3.权利要求2所述的一种硅纳米线场效应葡萄糖传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对硅纳米线表面预处理使其表面羟基化；S2、将步骤S1所得表面被羟基封端的硅纳米线浸泡在含有3
‑
氨基丙基三甲氧基硅烷和聚乙二醇的混合乙醇溶液中孵育，清洗后干燥，使硅纳米线表面形成胺基封端，然后在戊二醛溶液中孵育，使硅纳米线表面形成胺醛基封端；S3、将步骤S2所得传感器用葡萄糖氧化酶溶液孵育过夜，清洗后干燥处理；S4、将步骤S3所得传感器用牛血清蛋白溶液孵育进行封端。4.根据权利要求3所述的一种硅纳米线场效应葡萄糖传感器的制备方法，其特征在于，步骤S1所述预处理包括使用丙酮、无水乙醇清洗硅纳米线表面，去除杂质，然...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏千惠，魏峰，李港荣，朱艳，
申请(专利权)人：有研工程技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：