一种基于层状材料场效应的生物物质传感器和生物物质探测系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于生物物质传感器技术，特别是一种基于层状材料场效应的生物物质传感器和生物物质探测系统。
【背景技术】
[0002]随着环境问题的日益加重，生物物质探测已经成了人们目前非常关注的问题。如何简便快速的探测与人类生存相关的各种生物物质是当今热门的研究课题。以铅离子这种重金属离子为例，长期摄入铅离子会对人体的中枢神经系统，内分泌系统，消化系统，造血系统等等产生严重的影响。婴儿摄入铅离子则会影响智力发育，造成小儿痴呆。目前对于铅离子的探测手段主要有原子吸收光谱测定法、电感耦合等离子体质谱法、阳极溶出伏安法等等，这些方法有测量精度高，速度快，价格便宜等优点，但是也存在不便携，操作复杂等缺点。
[0003]二维材料薄膜层作为一种新型材料，具有良好的电学性质、光学性质和热学性质。其表面为各种反应提供了良好的场所，因此在生物探测领域得到了巨大的重视;而DNA寡链因其多变的三维结构，可以对特定的生物物质进行吸附。将DNA寡链安装在二维材料表面后，利用其特异性的吸附能力，将特定的生物物质吸附到二维材料表面，产生不同的掺杂效应，从而影响场效应曲线。
[0004]本发明和传统方法相比，有灵敏度高，体积小，操作简单，能够实现痕量探测等优势。但也有可重复性底等缺点亟需改进
【发明内容】
[0005]本发明目的是，提供一种基于层状材料场效应的生物物质传感器和生物物质探测系统，以提高灵敏度，减小体积，简化操作，并实现痕量探测。
[0006]为了实现上述目的，本发明技术方案是，
[0007]—种基于层状材料的生物物质传感器，包括:绝缘层2、金属电极层3、二维材料薄膜层4、特异性吸附层5及介质层6;绝缘层2上为二维材料薄膜层4，特异性吸附层5位于二维材料薄膜层的上表面，可以吸附特异性的物质，从而改变二维材料薄膜层的表面掺杂状态；金属电极层，包括源电极层31，漏电极层32及顶栅电极层33;源电极层31和漏电极层32覆盖在二维材料薄膜层的两端上，顶栅电极层33位于二维材料薄膜层和特异性吸附层的旁边并与漏电极层32保持一定距离，源电极层31和漏电极层32的表面覆盖有绝缘层进行保护;介质层6覆盖在二维材料薄膜层4，特异性附着层5和金属电极层表面。
[0008]所述的生物物质传感器还包括:基底，设置在所述绝缘层下面。
[0009]所述的二维材料薄膜层为石墨烯薄膜晶体、过渡金属硫族化合物，其厚度为0.3-5纳米。
[0010]所述的绝缘层为二氧化硅层、PMMA层或锗片，其厚度为300土 50纳米。
[0011]所述特异性选择层为包括DNA寡链的适配体，其厚度为1-5纳米。
[0012]介质层，覆盖在二维材料薄膜层，特异性附着层和金属电极层表面，为被探测的特异性物质提供维持环境。
[00?3 ] 所述源电极层由5nm厚的钛、50nm厚的金及I Onm厚的二氧化娃组成。
[00?4] 所述漏电极层由5nm厚的钛、50nm厚的金及I Onm厚的二氧化娃组成。
[0015]所述顶栅电极层由5nm厚的钛及50nm厚的金组成。
[0016]所述介质层由气体电介质，液体电介质或者固体电介质组成。
[0017]所探测的生物(目标)物质为正二价的铅离子。特异性选择层为，其厚度为1-5纳米。
[0018]采用了对于生物物质有吸附能力的特异性吸附层;所探测的生物物质为重金属离子，蛋白质，氨基酸，核苷酸。
[0019]为了实现上述目的，本发明实施例提供一种生物物质探测系统，所述探测系统包括:生物物质传感器、电压源及电流表，其中，所述的传感器即为基于层状材料的生物物质传感器。
[0020]所述源电极层连接所述电压源的负极并接地，所述电压源的正极通过电流表连接所述漏电极层;所述顶栅电极层连接所述另一个电压源的正极;所述两个电压源的负极连接在一起；
[0021 ]探测过程中，所述的特异性选择层吸附目标物质并使其沉积到所述二维薄膜材料表面。所探测的目标物质所带电荷会使得所述二维薄膜材料的掺杂情况发生改变，从而改变所述二维薄膜材料的场效应输运性质，利用所述电压源和电流表，通过所述二维薄膜材料上的源电极层、漏电极层及顶栅电极层进行场效应变化的测量。
[0022]有益效果:本发明的生物物质传感器不同于传统的传感器。首先，本发明的传感器以二维材料薄膜层作为传感材料，在小型化上有很大的优势;其次，特异性吸附层能够对特定的生物物质做出选择，因此在特异性探测上相比较传统传感器会更加精确;另外，二维材料的场效应输运性质对于其表面的掺杂效应极其敏感，这将使得本发明的生物物质探测器应用于高灵敏探测性能的领域成为可能。本发明和传统方法相比，有灵敏度高，体积小，操作简单，能够实现痕量探测等优势。
【附图说明】
[0023]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1为本发明实施例一的基于层状材料的生物物质传感器的正视图；
[0025]图2为本发明实施例一的基于层状材料的生物物质传感器的俯视图；
[0026]图3为本发明实施例一的基于层状材料的生物物质传感器的左视图；
[0027]图4中示出了特异性吸附层吸附了特定生物物质之后二维层状薄膜材料表面掺杂状态的改变；
[0028]图5为本发明实施例的特异性吸附层的合成方法流程图。
[0029]图6为本发明实施例的生物物质探测系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0030]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]如图1、图2及图3所示，本发明实施例提供了一种基于层状材料场效应的生物物质传感器，所述的传感器包括:绝缘层2，金属电极层3，二维材料薄膜层4，特异性吸附层5及介质层6.
[0032]二维材料薄膜层4位于绝缘层2之上，金属电极层，包括源电极层31，漏电极层32及顶栅电极层33，源电极层31和漏电极层32覆盖在二维材料薄膜层的两端上，顶栅电极层33位于二维材料薄膜层和特异性吸附层的旁边并保持一定距离，源电极层31和漏电基层32的表面覆盖有绝缘层34进行保护.特异性吸附层5位于二维材料薄膜层4的上表面.介质层6覆盖在二维材料薄膜层4，特异性附着层5和金属电极层3表面。
[0033]在一实施例中，源电极层31，漏电极层32及顶栅电极层33均由5nm厚的钛及50nm厚的金组成，其中源电极层31及漏电极层33表面还覆盖了 1nm的绝缘层34，并非用于限定。
[0034]在一实施例中如图1所示，压力传感器还包括:基底I，该基底I设置在绝缘层2下面，基底I可以为硅等绝缘性材料，本发明仅以硅为例进行说明。
[0035]二维材料薄膜层4和特异性吸附层5为本发明的生物物质传感器的核心部分。可以通过特异性吸附层5的吸附能力，将特定的生物物质吸附到二维材料薄膜层4的表面，生物物质可以改变二维材料薄膜层4的掺杂状态，从而影响二维材料薄膜层4的场效应输运性质，改变所述二维材料薄膜层的场效应曲线。
[0036]具体的，如图1所示，当铅离子进入介质层6后，被特异性吸附层5吸附，附着在二维材料薄膜层4的表面。铅离子的正电荷使为二维材料薄膜层4引入电子掺杂，使得其场效应输运曲线向左偏移。
[0037]本发明的生物物质传感器中的二维材料薄膜层可以为石墨烯薄膜晶体、过渡金属硫族化物，过渡金属硫族化物可以为硫化钼及锡化钼等，本发明仅以石墨烯薄膜晶体，并非用于限定。
[0038]本发明的生物物质传感器中的绝缘层2可以绝缘材料及介电材料，绝缘材料例如为二氧化硅层、PMMA层及锗片，本发明仅以二氧化硅层作为绝缘层进行说明。
[0039]下面结合具体的例子简单介绍生物物质传感器的制作过程
[0040]石墨烯薄膜晶体的获得方法:
[0041 ] I)机械剥离法:在加工完后的氧化硅片上机械剥离出石墨烯薄膜晶体
[0042]2)CVD生长法:通过CVD在氧化硅表面得到石墨烯薄膜晶体
[0043]通过掩模板蒸镀或者电子束曝光蒸镀的方法制作金属电极层:
[0044]找好特定的石墨烯薄膜晶体，利用事先做好的掩模版对准石墨烯薄膜晶体，连同氧化硅片和基底一起放入电子束蒸镀系统，并蒸镀5nm钛，50nm金和10nmSi02的金属电极层。去除掩模版后相应的金属电极层就会覆盖在石墨烯薄膜材料的两侧;或者在石墨烯薄膜晶体上旋涂光刻胶并烘培，放入电子显微镜中，利用电子束在光刻胶上写下特定的形状，被电子束写过的光刻胶性质发生改变，在显影液中浸泡后被去除，没有被电子束写过的光刻胶则没有发生变化。随后连同氧化硅片和基底一起放入电子束蒸镀系统，并蒸镀5nm钛，50nm金和10nmSi02的金属电极层。再将样品放入丙酮溶液，去除剩余的光刻胶以及附着在上面的金属，这样相应的金属电极层就会覆盖在石墨烯薄膜材料的两侧。
[0045]特异性吸附层的合成与吸附:在实施例中，我们采用对于正二价铅离子有特异性吸附能力的8-17DNA酶作为特异性吸附层，并在其末端加上芘环，利用芘环和石墨烯薄膜材料的相互作用，将特异性吸附层附着在石墨烯薄膜材料的表面。8-17DNA酶由两条链组成，分别为17E和17S。在这里要声明的是，我们采用的8-17DNA酶不同于一般的8-17DNA酶，我