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CN115032246A - 一种基于激光诱导石墨烯的场效应管生物传感器 - Google Patents

一种基于激光诱导石墨烯的场效应管生物传感器 Download PDF

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CN115032246A CN202210645842.7A CN202210645842A CN115032246A CN 115032246 A CN115032246 A CN 115032246A CN 202210645842 A CN202210645842 A CN 202210645842A CN 115032246 A CN115032246 A CN 115032246A
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张航与
代兴东
刘波
刘启星
赵天聪
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Dalian University of Technology
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Dalian University of Technology
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Abstract

本发明属于生物传感器领域，涉及一种基于激光诱导石墨烯的场效应管生物传感器。本发明通过激光雕刻烧蚀碳前体材料形成激光诱导石墨烯的技术制备场效应管生物传感器的电极及沟道。对石墨烯沟道修饰多肽连接剂、特异性识别单元亲和性多肽、抗污剂牛血清白蛋白。使用时，依据场效应管生物传感器输出电流的数值变化可以测量待测蛋白的浓度，对人体健康监测和疾病诊断具有重要意义。

Description

一种基于激光诱导石墨烯的场效应管生物传感器
技术领域
本发明属于生物传感器领域，涉及一种基于激光诱导石墨烯的场效应管生物传感器。本发明通过激光雕刻烧蚀碳前体材料形成激光诱导石墨烯的技术制备场效应晶体管的电极及沟道，再对石墨烯沟道修饰多肽连接剂、特异性识别单元亲和性多肽、抗污剂牛血清白蛋白，依据场效应晶体管输出电流的数值变化可以测量待测蛋白的浓度。
背景技术
如今，随着医学水平日渐发达，人们对身体健康状况的关注度也日益提高。生物传感器作为一种常用来检测动态生物活动的分析工具，在人体健康监测方面同样发光发彩，如用于检测体液、血液中特定物质含量等。
制备传感器的材料有很多种，包括传统金属材料、碳材料等等，制备方法包括各类物理、化学、电学技术。各类材料、方法中，激光诱导石墨烯(LIG)技术成型快、图案化、低成本以及该类新型碳材料比表面积大、导电性良好的特点使得LIG技术成为制备生物传感器的不二之选。
在生物传感器领域，场效应晶体管生物传感器(Bio-FETs)是生物受体和离子敏感场效应晶体管的集成传感器，传感元件被固定在传感通道也即半导体路径上，该通道连接到源极(S)和漏极(D)电极，通常通过高特异性和结合亲和力捕获目标。通过对场效应管栅极施加偏置电位，记录通过检测目标的通道电导，由测量系统进一步处理。而在场效应晶体管系统中，当沟道结合了带不同电荷的分子时其电导率会发生改变，借此通过电流数值变化反应检测物浓度大小。
由于场效应管生物传感器的灵敏度较高，能够用于各类医学检测环境，其应用价值巨大。然而，目前传统的生物场效应晶体管制作工艺复杂，技术门槛高，加工周期长，成本高，难以满足人民群众对健康监测的需求。LIG技术应用于场效应管生物传感器的制备较传统技术而言大大缩短了生产周期、以及应用成本。在此基础上LIG材料本身的高比表面积特性在传感器中也得以继承，这是传统半导体材料沟道所不具备的优点。
发明内容
本发明的目的是实现一种能够检测极低浓度蛋白类生物标志物的生物传感器，在场效应管沟道部分利用1-芘丁酸N-羟基琥珀酰亚胺酯(PBASE)作为亲和性多肽与LIG的连接剂，再对特异性多肽进行共价键连接，最后通过抗污剂牛血清白蛋白(BSA)填充LIG内部多余的结合位点阻断非特异性吸附；亲和性多肽再与待测蛋白发生特异性结合进而导致沟道电导率变化的原理，实现了传感器能够响应一定范围浓度的待测蛋白的特性。并且该生物传感器的灵敏度高、检测限低、制备周期短，成本远低于同类生物传感器。
本发明的技术方案：
一种基于激光诱导石墨烯的场效应管生物传感器，具体如下：
将聚酰亚胺作为场效应管生物传感器的基底，通过激光雕刻烧蚀基底表面形成场效应管生物传感器的源极、漏极以及沟道部分，且各个部分的表面均为激光诱导石墨烯LIG。
优选的，激光雕刻烧蚀的加工参数如下：加工电极时，激光功率1.8W，雕刻速度70mm/s；加工沟道时激光功率1.6W，雕刻速度70mm/s。
在源极和漏极表面涂抹导电银浆、固定铜线，以与数据采集设备连接；
在源极、漏极表面使用热塑性绝缘弹性体橡胶对电极进行保护封装；
在LIG沟道表面修饰PBASE，作为亲和性多肽的连接剂；具体步骤如下：
将PBASE粉末溶于二甲基甲酰胺(DMF)中，制成浓度为1-50mM的PBASE溶液；PBASE溶液滴加在LIG沟道上，待溶液干燥，超纯水冲洗，完成对LIG沟道的修饰；
在已经过PBASE修饰的LIG沟道表面修饰亲和性多肽，使亲和性多肽与LIG沟道表面的PBASE相连，用于特异性识别待测蛋白；具体步骤如下：
将亲和性多肽E5溶于水中制成1-1000μg/ml的亲和性多肽溶液，然后滴加在LIG沟道表面使其覆盖沟道，待溶液干燥，超纯水冲洗，使亲和性多肽与LIG表面的PBASE相连，完成修饰；
在已经过亲和性多肽修饰的LIG道表面修饰BSA作为抗污剂屏蔽LIG沟道上的非特异性结合位点；具体步骤如下：
将BSA粉末溶于PBS溶液中，制成浓度在1-10mg/ml的BSA溶液，将BSA溶液滴加在LIG沟道表面，待溶液干燥，超纯水冲洗，通过修饰的BSA对LIG结构中的非特异性结合位点进行屏蔽。
本发明的有益效果：
本发明以激光雕刻石墨烯技术为基础，制备的场效应管生物传感器的制作方法简单、周期短、成本低、检测灵敏度高、检测限低、检测时间短、所需样品量小，能够在分子层面实现对蛋白类标志物的快速检测，对人体健康监测和疾病诊断具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例中场效应晶体管生物传感器的电极及沟道设计图。
图2为本发明实施例中场效应晶体管生物传感器的工作原理图。
图3A为本发明实施例中场效应晶体管生物传感器在不同待测蛋白NSE浓度下的转移特性曲线。
图3B为本发明实施例中传感器沟道电流Ids与待测蛋白NSE的浓度关系拟合曲线。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例一：
在本实施例中，将PI薄膜裁成合适大小以备LIG图案加工。具体的传感器电极和沟道设计如图1所示，源极与漏极尺寸相同，沟道长度与电极比例为1:3，沟道宽度与电极比例为1:10，基底尺寸大小应满足容纳器件图形尺寸需求。
本实施例所选用的半导体激光器最大激光功率可达10W，最大雕刻速度可达80mm/s。实施例中用于加工该场效应管电极的激光功率为18％、雕刻速度70mm/s，用于加工场效应管沟道的激光功率为16％、雕刻速度70mm/s，雕刻清晰度统一设置为100％。场效应管中的栅极部分统一采用标准参比电极Ag/AgCl。
本实施例中，在雕刻成型的LIG电极表面涂抹导电银浆，放置铜导线/胶带，加热固化(150℃)，以备后续连接数据采集设备。
本实施例中，将热塑性聚氨酯弹性体橡胶薄膜附于传感器电极表面，将沟道裸露出。利用电烙铁或其它加热设备进行加热(180℃)使薄膜液化，待冷却至室温完成对电极的防水封装。
本实施例中，将PBASE粉末溶于二甲基甲酰胺中，制成浓度为1mM的PBASE溶液。取1μl滴加在场效应管沟道表面将其覆盖，待溶液干燥，清水冲洗，完成修饰。
本实施例中，将亲和性多肽E5溶于水中制成1μg/ml溶液，将多肽水溶液滴加在场效应管沟道表面将其覆盖，待溶液干燥，清水冲洗，完成修饰。
本实施例中，将BSA溶于磷酸盐缓冲液(PBS)中，制成1mg/ml的BSA溶液。取1μl BSA溶液滴加在场效应管沟道表面将其覆盖，待溶液干燥，清水冲洗，完成修饰。
本实施例中，上述提到的PBASE作为多肽连接剂，亲和性多肽E5作为特异性识别单元，BSA作为LIG非特异性结合位点的阻断剂。
实施例二：
在本实施例中，将PI薄膜裁成合适大小以备LIG图案加工。具体的传感器电极和沟道尺寸：源极与漏极尺寸相同，沟道长度与电极比例为1:5，沟道宽度与电极比例为1:20，基底尺寸大小应满足容纳器件图形尺寸需求。
本实施例所选用的半导体激光器最大激光功率可达10W，最大雕刻速度可达80mm/s。实施例中用于加工该场效应管电极的激光功率为18％、雕刻速度70mm/s，用于加工场效应管沟道的激光功率为16％、雕刻速度70mm/s，雕刻清晰度统一设置为100％。场效应管中的栅极部分统一采用标准参比电极Ag/AgCl。
本实施例中，在雕刻成型的LIG电极表面涂抹导电银浆，放置铜导线/胶带，加热固化(150℃)，以备后续连接数据采集设备。
本实施例中，将热塑性聚氨酯弹性体橡胶薄膜附于传感器电极表面，将沟道裸露出。利用电烙铁或其它加热设备进行加热(180℃)使薄膜液化，待冷却至室温完成对电极的防水封装。
本实施例中，将PBASE粉末溶于二甲基甲酰胺中，制成浓度为10mM的PBASE溶液。取10μl滴加在场效应管沟道表面将其覆盖，待溶液干燥，清水冲洗，完成修饰。
本实施例中，将亲和性多肽E5溶于水中制成100μg/ml溶液，将多肽水溶液滴加在场效应管沟道表面将其覆盖，待溶液干燥，清水冲洗，完成修饰。
本实施例中，将BSA溶于磷酸盐缓冲液(PBS)中，制成3mg/ml的BSA溶液。取10μlBSA溶液滴加在场效应管沟道表面将其覆盖，待溶液干燥，清水冲洗，完成修饰。
本实施例中，上述提到的PBASE作为多肽连接剂，亲和性多肽E5作为特异性识别单元，BSA作为LIG非特异性结合位点的阻断剂。
实施例三：
在本实施例中，将PI薄膜裁成合适大小以备LIG图案加工。具体的传感器电极和沟道尺寸：源极与漏极尺寸相同，沟道长度与电极比例为1:10，沟道宽度与电极比例为1:100，基底尺寸大小应满足容纳器件图形尺寸需求。
本实施例所选用的半导体激光器最大激光功率可达10W，最大雕刻速度可达80mm/s。实施例中用于加工该场效应管电极的激光功率为18％、雕刻速度70mm/s，用于加工场效应管沟道的激光功率为16％、雕刻速度70mm/s，雕刻清晰度统一设置为100％。场效应管中的栅极部分统一采用标准参比电极Ag/AgCl。
本实施例中，在雕刻成型的LIG电极表面涂抹导电银浆，放置铜导线/胶带，加热固化(150℃)，以备后续连接数据采集设备。
本实施例中，将热塑性聚氨酯弹性体橡胶薄膜附于传感器电极表面，将沟道裸露出。利用电烙铁或其它加热设备进行加热(180℃)使薄膜液化，待冷却至室温完成对电极的防水封装。
本实施例中，将PBASE粉末溶于二甲基甲酰胺中，制成浓度为50mM的PBASE溶液。取50μl滴加在场效应管沟道表面将其覆盖，待溶液干燥，清水冲洗，完成修饰。
本实施例中，将亲和性多肽E5溶于水中制成1000μg/ml溶液，将多肽水溶液滴加在场效应管沟道表面将其覆盖，待溶液干燥，清水冲洗，完成修饰。
本实施例中，将BSA溶于磷酸盐缓冲液(PBS)中，制成10mg/ml的BSA溶液。取50μlBSA溶液滴加在场效应管沟道表面将其覆盖，待溶液干燥，清水冲洗，完成修饰。
本实施例中，上述提到的PBASE作为多肽连接剂，亲和性多肽E5作为特异性识别单元，BSA作为LIG非特异性结合位点的阻断剂。
以实施例二为例，经过制备得到的该生物传感器的检测区域即为场效应管的沟道区域，测量时应使沟道区域处于液体环境中，以便正常工作。该生物传感器工作原理如图2所示，经过修饰位于沟道表面的亲和性多肽能够与NSE特异性结合，沟道电导率发生改变，沟道电流Ids发生变化。
在实施例二中，将不同浓度的NSE溶液滴加在沟道表面，在Vds＝-0.1V的条件下控制栅源电压Vgs在-1.5V～1.35V范围内进行扫描，得到场效应管的转移特性曲线，如图3A所示，其中不同浓度测试结果使用不同的曲线划线方式进行了区分，该场效应管生物传感器在Vds＝-0.1V下的工作转移特性曲线，不同浓度NSE的检测结果与对照组(PBS)有显著差异。综合分析比对可知，该传感器检测下限低至1fg/ml，检测上限达1pg/ml。
在实施例二中，在场效应管栅极电压Vgs＝1.04V条件下，对不同浓度下场效应管的沟道电流Ids数据点进行了曲线拟合，如图3B所示，结果显示传感器在10fg/ml～1pg/ml的浓度范围内呈线性响应，拟合度R2＝0.9948，灵敏度高达10.53μA/(fg·mL-1)。

Claims (8)

1.一种基于激光诱导石墨烯的场效应管生物传感器，其特征在于，具体如下：
将聚酰亚胺作为场效应管生物传感器的基底，通过激光雕刻烧蚀基底表面形成场效应管生物传感器的源极、漏极以及沟道部分，且各个部分的表面均为激光诱导石墨烯LIG；
在源极和漏极表面涂抹导电银浆、固定铜线，以与数据采集设备连接；
在源极、漏极表面使用热塑性绝缘弹性体橡胶对电极进行保护封装；
在LIG沟道表面修饰PBASE，作为亲和性多肽的连接剂；
在已经过PBASE修饰的LIG沟道表面修饰亲和性多肽，使亲和性多肽与LIG沟道表面的PBASE相连，用于特异性识别待测蛋白；
在已经过亲和性多肽修饰的LIG道表面修饰BSA作为抗污剂屏蔽LIG沟道上的非特异性结合位点。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光诱导石墨烯的场效应管生物传感器，其特征在于，在LIG沟道表面修饰PBASE的具体步骤如下：
将PBASE粉末溶于二甲基甲酰胺中，制成浓度为1-50mM的PBASE溶液；PBASE溶液滴加在LIG沟道上，待溶液干燥，超纯水冲洗，完成对LIG沟道的修饰。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于激光诱导石墨烯的场效应管生物传感器，其特征在于，在已经过PBASE修饰的LIG沟道表面修饰亲和性多肽的具体步骤如下：
将亲和性多肽E5溶于水中制成1-1000μg/ml的亲和性多肽溶液，然后滴加在LIG沟道表面使其覆盖沟道，待溶液干燥，超纯水冲洗，使亲和性多肽与LIG表面的PBASE相连，完成修饰。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于激光诱导石墨烯的场效应管生物传感器，其特征在于，在已经过亲和性多肽修饰的LIG道表面修饰BSA的具体步骤如下：
将BSA粉末溶于PBS溶液中，制成浓度在1-10mg/ml的BSA溶液，将BSA溶液滴加在LIG沟道表面，待溶液干燥，超纯水冲洗，通过修饰的BSA对LIG结构中的非特异性结合位点进行屏蔽。
5.根据权利要求3所述的一种基于激光诱导石墨烯的场效应管生物传感器，其特征在于，在已经过亲和性多肽修饰的LIG道表面修饰BSA的具体步骤如下：
将BSA粉末溶于PBS溶液中，制成浓度在1-10mg/ml的BSA溶液，将BSA溶液滴加在LIG沟道表面，待溶液干燥，超纯水冲洗，通过修饰的BSA对LIG结构中的非特异性结合位点进行屏蔽。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种基于激光诱导石墨烯的场效应管生物传感器，其特征在于，激光雕刻烧蚀的加工参数如下：加工电极时，激光功率1.8W，雕刻速度70mm/s；加工沟道时激光功率1.6W，雕刻速度70mm/s。
7.根据权利要求3所述的一种基于激光诱导石墨烯的场效应管生物传感器，其特征在于，激光雕刻烧蚀的加工参数如下：加工电极时，激光功率1.8W，雕刻速度70mm/s；加工沟道时激光功率1.6W，雕刻速度70mm/s。
8.根据权利要求4所述的一种基于激光诱导石墨烯的场效应管生物传感器，其特征在于，激光雕刻烧蚀的加工参数如下：加工电极时，激光功率1.8W，雕刻速度70mm/s；加工沟道时激光功率1.6W，雕刻速度70mm/s。
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