本發明涉及生物傳感器,具體而言涉及一種電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器及其制備方法、應用
背景技術:
1、生物傳感器是融合生物學與電子學的前沿創新技術,其能夠對各種生物分子及化學物質進行檢測和量化,在醫學診斷、環境監測、食品安全和生物技術研究等多個關鍵領域發揮著不可替代的重要作用,具有極其廣闊的發展前景和深遠的社會意義。然而,生物傳感器的檢測能力面臨著由于生物分子類型多樣性及其在不同樣品中的濃度分布范圍極其廣泛所引發的復雜挑戰。
2、生物分子在不同樣品中的濃度可能從皮摩爾(pm)級別延展至毫摩爾(mm)級別,跨度可達九個數量級。這樣的濃度跨度對生物傳感器的檢測靈敏度和動態范圍提出了極高的要求。傳統生物傳感器通常依賴于單一物理或化學信號轉換途徑,例如電化學、光學、聲學、熱學或磁學信號。這種單一機制雖然在特定的應用場景下能夠提供有效的檢測,但在面對寬泛的濃度范圍和復雜樣品環境時,存在顯著的局限性。
3、單一信號響應機制往往只能在較窄的濃度范圍內保持較高的靈敏度和線性關系。當目標生物分子濃度超出這一范圍時,傳感器的響應可能會趨于飽和或變得不穩定而無法有效定量目標分子。此外,在復雜的樣品基質中,背景噪音和非特異性干擾信號可能會掩蓋目標分子的信號,進一步降低檢測的準確性和可靠性。
技術實現思路
1、本發明目的在于針對現有生物傳感器在檢測寬泛濃度范圍的樣品在同一平臺無法有效定量目標分子的問題,或在檢測具有復雜成分的樣品時,檢測結果準確性和可靠性差的問題,提供一種優勢互補的雙模式生物傳感器,其結合了具有兩種不同信號轉導機制的電化學(ec)傳感模式和場效應晶體管(fet)傳感模式,能夠在同一平臺上通過不同的測試結構配置,獨立采集信號,以滿足實際應用中對高靈敏度、廣動態范圍和高特異性檢測的需求。
2、根據本發明目的的第一方面,提供一種電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器,包括從下至上依次疊加的絕緣襯底,碳納米管層,源電極和漏電極、柵介質層、延柵電極層和鈍化層;
3、所述碳納米管層位于絕緣襯底一側表面上;
4、所述源電極和漏電極位于碳納米管層上方,源電極和漏電極相對設置并隔開排布,源電極和漏電極之間的碳納米管層形成溝道層;
5、所述柵介質層位于溝道層的上方,并覆蓋整個溝道層;
6、所述延柵電極層包括溝道柵金屬電極和電極敏感區,所述溝道柵金屬電極位于源電極和漏電極之間的溝道層區域,并設置在柵介質層上方;
7、所述電極敏感區位于絕緣襯底遠離溝道層區域的一端,與溝道柵金屬電極通過金屬引線連接;所述電極敏感區的表面修飾有生物探針,用于對靶標分子進行特異性捕獲;
8、所述鈍化層被設置覆蓋除電極敏感區和輸出電極(pad)以外的所有區域,使得所述生物傳感器在靶標分子孵育、洗滌以及檢測過程中,僅電極敏感區暴露于溶液環境;
9、所述電極敏感區的表面設有測試電解液和外置電極,所述外置電極與測試電解液接觸;
10、其中,以外置電極作為參比電極,延柵電極作為工作電極,參比電極和工作電極通過測試電解液構成電化學(ec)傳感體系;
11、以外置電極作為柵極施加柵壓,記錄源電極和漏電極之間的轉移特性曲線,構成場效應晶體管(fet)傳感體系。
12、作為可選的實施方式,所述測試電解液為含10μm的[ru(nh3)6]cl3的pbs溶液。
13、作為可選的實施方式,所述外置電極為ag絲或ag/agcl絲。
14、作為可選的實施方式,所述延柵電極為ti/au或cr/au膜。
15、作為可選的實施方式,所述碳納米管層為半導體型單壁碳納米管薄膜。
16、作為可選的實施方式,所述源電極和漏電極為ti/pd/au膜。
17、作為可選的實施方式,所述柵介質層為y2o3和hfo2的復合膜。
18、作為可選的實施方式,所述源電極、漏電極和延柵電極均配置有獨立的引線,并通過引線與各自的輸出電極連接。
19、根據本發明目的的第二方面,提供一種前述電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器的制備方法,包括以下步驟:
20、s1:在絕緣襯底的表面沉積碳納米管層;
21、s2:在碳納米管層的表面勻膠,利用光刻工藝刻蝕出相應圖案并蒸鍍金屬形成源漏電極,以及對應的引線和輸出電極,然后,去膠剝離;
22、s3:再次勻膠,利用氧等離子體刻蝕去除多余碳納米管,去膠剝離,獲得連接源漏電極的溝道區域;
23、s4:在步驟s3獲得的器件的整個表面蒸鍍金屬釔并進行氧化形成y2o3,再通過原子層沉積系統在y2o3上沉積hfo2;
24、s5:再一次勻膠、曝光,在完成步驟s4的溝道區域上蒸鍍金屬形成溝道柵金屬電極,以及在絕緣襯底遠離溝道層區域的一端蒸鍍金屬形成電極敏感區,作為生物探針的修飾區域,溝道柵金屬電極和電極敏感區通過金屬引線連接;
25、s6:再次利用光刻顯影技術對除電極敏感區和輸出電極(pad)以外的所有區域進行封裝,形成鈍化層,使得所述生物傳感器在靶標分子孵育、洗滌以及檢測過程中,僅電極敏感區暴露于溶液環境;
26、s7:在電極敏感區的表面修飾所需生物探針,得到所需電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器。
27、根據本發明目的的第三方面,提供一種前述電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器在具有寬泛濃度范圍和復雜成分樣品檢測中的應用。
28、由以上本發明的技術方案可見,本發明提出的電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器同時具有電化學(ec)傳感模式和場效應晶體管(fet)傳感模式兩種檢測體系,兩種檢測體系均可進行獨立檢測,電化學(ec)傳感模式可用于檢測具有高濃度檢測范圍的樣品,場效應晶體管(fet)傳感模式可用于檢測具有低濃度范圍的樣品,兩種檢測模式檢測范圍互補,從而實現對大濃度跨度范圍內靶標的直接檢測;
29、同時,可分別采用電化學(ec)傳感模式和場效應晶體管(fet)傳感模式檢測同一樣品,以相互驗證,提高檢測樣品,尤其是復雜樣品基質結果的準確性和可靠性。
30、本發明的電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器在測試中,生物識別探針修飾的傳感區是器件唯一暴露于液體環境中的部分,有效避免了復雜溶液與傳感器通道表面直接接觸,確保了其穩定性和可重復性。
31、本發明的電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器操作簡單、無需標記、檢測快速,具有低檢測下限和高靈敏度。
1.一種電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器,其特征在于,包括從下至上依次疊加的絕緣襯底(10),碳納米管層(20),源電極(30)和漏電極(40)、柵介質層(50)、延柵電極(60)層和鈍化層(70);
2.根據權利要求1所述的電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器,其特征在于,所述測試電解液(80)為含10μm的[ru(nh3)6]cl3的pbs溶液。
3.根據權利要求1所述的電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器,其特征在于,所述外置電極(90)為ag絲或ag/agcl絲。
4.根據權利要求1所述的電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器,其特征在于,所述延柵電極(60)為ti/au或cr/au膜。
5.根據權利要求1所述的電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器,其特征在于,所述碳納米管層(20)為半導體型單壁碳納米管薄膜。
6.根據權利要求1所述的電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器,其特征在于,所述源電極(30)和漏電極(40)為ti/pd/au膜。
7.根據權利要求1所述的電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器,其特征在于,所述柵介質層(50)為y2o3和hfo2的復合膜。
8.根據權利要求1所述的電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器,其特征在于,所述源電極(30)、漏電極(40)和延柵電極(60)均配置有獨立的引線,并通過引線與各自的輸出電極連接。
9.一種根據權利要求1-8中任意一項所述的電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器的制備方法,其特征在于,包括以下步驟:
10.一種權利要求1-8中任意一項所述的電化學-場效應晶體管雙模式生物傳感器在具有寬泛濃度范圍和復雜成分樣品檢測中的應用。