一种半导体异质结dna生物传感器及其制备与应用
【专利摘要】本发明涉及一种半导体异质结DNA生物传感器及其制备方法与应用，该传感器包括半导体异质结器件和DNA分子探针(5)，半导体异质结器件包括基板衬底(1)、第一半导体层(2)、第二半导体层(3)和源漏电极(4)，DNA分子探针(5)位于第二半导体层(3)表面；该生物传感器是先通过光刻制作源漏电极(4)，再通过真空蒸镀或溅射或旋涂的方法制作半导体异质结器件，最后将DNA分子探针(5)固定在第二半导体层(3)上；本生物传感器通过DNA分子探针和目标DNA分子杂交所引起半导体异质结电导率变化来检测DNA。与现有技术相比，本发明提供的半导体异质结DNA生物传感器具有结构简单、制作成本低、灵敏度高、检测方法多样化等特点。
【专利说明】
一种半导体异质结DNA生物传感器及其制备与应用
技术领域
[0001]本发明涉及DNA传感器领域，具体涉及一种半导体异质结DNA生物传感器及其制备与应用。
【背景技术】
[0002]DNA的结构中蕴藏着决定遗传、细胞分裂、分化、生长和蛋白质生物合成等生命过程中的重要信息。因此，对特定序列段DNA的分析以及对DNA链中碱基突变的检测在抗癌药物的研制和药理分析、环境的检测和控制、法学鉴定以及流行病、传染病、肿瘤、遗传疾病等的早期诊断和治疗方面都具有十分深远的意义。目前DNA检测大多需要荧光标记或有反射性的物质标记，不仅过程复杂耗时、价格昂贵，而且还具有一定的危险性，不适合大多数人一次性快速检测需求。近年来，基于无标记的DNA生物传感器的研制和开发已取得了显著的进展。DNA生物传感器是基于DNA分子之间相互作用(即杂交作用)所引起的各种物理化学信号变化，来记录、分析目标物的特征，以完成对目标物的探测和监控的传感器件。与传统的DNA检测方法不同，大部分DNA生物传感器制作方法简单且无需标记，为基因的识别和疾病的诊断提供了一种快速、廉价、简单的方法。
[0003]有机场效应晶体管DNA传感器是近几年才发展的新型的DNA检测技术，它是基于最新型的有机薄膜晶体管技术制备而成。与常规的DNA传感器相比，有机场效应晶体管DNA传感器具有无标记、低成本、快速灵敏等特点。但是对于发展低成本、快速，简单的检测，有机场效应晶体管仍显得有点复杂，特别是晶体管信号测试所需要的半导体测试设备，对于便携、移动检测来说非常不便。前期的研究发现，半导体异质结可以成为有机场效应晶体管的一个完美替代品。半导体异质结是采用两种不同的有机半导体材料(一般是P型和N型)进行叠加，而叠加后的两种半导体界面处由于界面偶极效应会积累大量的电荷，这种电荷会使得原本导电性不佳的有机材料变得可以导电。王军等人[Appl.Phys.Lett.87(2005)093507]在研究CuPc/F16CuPc异质结晶体管时初步发现了这种现象，具体表现为晶体管在栅压为零的情况下沟道仍然可以导通，通过进一步的研究发现在异质结界面处存在电子和空穴的积累。之后，来自他们课题组的王海波等人[Org.Electron.7(2006)369.]对这种异质结导电现象进行了进一步的研究，他们从能带角度分析了这一问题，认为能带上的弯曲导致了异质结附近发生电荷转移，而转移后的电荷形成了内建电场；同时他们还研究发现异质结电荷积累具有一定的厚度，当超过这个厚度异质结电荷积累便达到饱和。
[0004]因此，将半导体异质结应用于DNA检测领域具有良好的市场前景。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、制作成本低、检测方便的、通过测量异质结器件的导电性能来检测DNA分子的半导体异质结DNA生物传感器及其制备与应用。本发明技术方案的DNA生物传感器的制备方法，由半导体异质结器件和DNA分子探针构成，DNA分子探针作为识别元件，半导体异质结器件作为传感器的换能器，将DNA分子探针检测的生物信号转换为易观测的电信号。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:一种半导体异质结DNA生物传感器，该传感器包括半导体异质结器件和DNA分子探针，所述半导体异质结器件包括基板衬底、第一半导体层、第二半导体层和源漏电极，所述DNA分子探针位于所述第二半导体层表面。
[0007]本发明的半导体异质结DNA生物传感器的工作原理是:利用两种半导体材料形成半导体异质结，由于半导体异质结界面电荷积累会随着DNA分子杂交而发生变化，通过检测半导体异质结的电学性能进行DNA分子的检测。
[0008]所述的半导体异质结器件结构具体为:第一半导体层位于基板衬底上方、第二半导体层位于第一半导体层上方、源漏电极位于第一半导体层和第二半导体层的两侧。
[0009]所述的基板衬底为绝缘材料，包括玻璃、陶瓷、塑料或硅片中的一种;所述第一半导体层的材料包括P型半导体或N型半导体，所述第二半导体层的半导体型号与第一半导体层不同，第二半导体层的材料包括N型半导体或P型半导体，所述源漏电极的材料包括Au、Ag、Mo、Al、Cu、Cr、T1、石墨稀、碳纳米管、ITO或ZnO中的任意一种或几种材料形成的复合材料。
[0010]所述的P型半导体包括酞菁铜、酞菁锌、酞菁镍、酞菁钴、自由酞菁、酞菁铂、酞菁铅、駄菁氧1凡、駄菁氧钦、駄菁氯招、駄菁二氯锡、駄菁氧锡、红焚稀、并五苯、并二苯、并四苯、聚吡咯、聚噻吩、聚三六甲基噻吩、聚苯酚或聚2，5-噻吩乙炔中的一种；
[0011]所述N型半导体包括C6Q、氟代酞菁铜、氟代酞菁锌、氟代酞菁铁、氟代酞菁钴、氯代酞菁铜、氯代酞菁锌、氯代酞菁铁、氯代酞菁钴、酞菁氧钛、氟代六噻吩、氯代六噻吩、3，4，9，10-茈四羧酸二酐，N，N ’ -二苯基-3，4，9，10-茈四羧酸二胺、四氰基二甲基醌、I，4，5，8-萘四羧酸二酐、I，4，5，8_萘四羧酸二胺、11，11，12，12-四氰基二甲基萘醌、四甲基四砸代富瓦烯、ZnO、氧化铟镓锌、氧化铪铟锌、氧化铝铟锌或氧化锌铟锡中的一种。
[0012]本发明的核心点在于第一层半导体层与第二半导体层形成半导体异质结结构，由以上N型或P型半导体所组成的半导体异质结器件具有制备方法简单，测量方法简单，检测灵敏度高的优点。
[0013]所述的基板衬底表面涂覆有绝缘聚合物；所述绝缘聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇或聚苯乙烯中的一种，以上聚合物材料可以改善基板衬底的表面平整度，有利于上面半导体薄膜的沉积。
[0014]所述的DNA分子探针是由单链DNA分子在第二层半导体层表面通过物理或化学吸附的方式固定。
[0015]所述的第一半导体层的厚度为2?40nm，所述第二半导体层的厚度为0.1?20nm，所述的源漏电极的厚度为10?50nm。第二半导体层的厚度不宜太厚，否则会降低传感器的检测灵敏度。
[0016]一种如上述半导体异质结DNA生物传感器的制备方法，包括以下几个步骤:
[0017](I)采用真空蒸镀方法或溅射的方法在基板衬底上制备一层导电薄膜，通过光刻的方法形成源漏电极；
[0018](2)通过真空蒸镀或溅射或旋涂的方法将P型半导体或N型半导体覆盖基板衬底表面，形成第一半导体层；
[0019](3)通过真空蒸镀或溅射或旋涂的方法将N型半导体或P型半导体覆盖第一半导体层表面，形成第二半导体层；
[0020](4)在第二半导体层上固定DNA分子探针，得到相应的生物传感器。
[0021 ] 一种如上所述半导体异质结DNA生物传感器的应用，所述生物传感器用于检测DNA分子，所述生物传感器通过半导体异质结器件的电流或电阻变化来检测DNA分子。本发明的原理为:利用DNA生物分子在异质结表面的吸附来改变异质结原有的电荷积累状态，通过检测异质结两端的电流或电阻变化来进行生物检测。
?0022] 关于传感器的检测方法，方法一为采用半导体分析仪(如Agilent 4156C)或多功能电源电表(如Keithley 2400)测量源漏电极的电流-电压曲线，根据电流响应来判断生物检测;方法二为采用万用表或绝缘电阻测试仪来测量源漏电极的电阻，根据电阻变化来检测生物分子。
[0023]与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面:
[0024](I)结构及制备方法简单，生产成本低；
[0025](2)本发明采用半导体异质结器件，半导体异质结的界面偶极层对于外界的影响非常敏感，具体表现为异质结界面电荷积累的数量会随着外界的影响而发生变化，从而引起异质结内部载流子浓度的变化，利用这种特性，所得的生物传感器灵敏度高；
[0026](3)本发明的应用结果可通过半导体分析仪检测电流变化或通过万用表或绝缘电阻测试仪检测电阻变化，从而检测生物分子，检测方式多样化。
【附图说明】
[0027]图1为半导体异质结DNA生物传感器的结构示意图；
[0028]图2为实施例1所得半导体异质结DNA生物传感器在单链DNA分子吸附后和双链DNA分子杂交前后的电流响应图；
[0029]图3为实施例2所得半导体异质结DNA生物传感器在单链DNA分子吸附后和双链DNA分子杂交前后的电流响应图。
[0030]其中，I为基板衬底，2为第一半导体层，3为第二半导体层，4为源漏电极，5为DNA分子探针。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明DNA生物传感器及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
[0032]实施例1
[0033]一种半导体异质结DNA生物传感器，其结构如图1所示，该生物传感器包括半导体异质结器件和DNA分子探针5，即半导体异质结器件包括基板衬底1、第一半导体层2、第二半导体层3和源漏电极4，且基板衬底1、第一半导体层2、第二半导体层3依次叠加，源漏电极4位于第一半导体层2和第二半导体层3两侧，DNA分子探针5位于所述第二层半导体层3上方。
[0034]上述半导体异质结DNA生物传感器的制备方法如下:
[0035]a.选用玻璃作为基板衬底I，并在基板衬底I表面用绝缘聚合物涂层进行平滑，本实施例采用的涂层为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，从而提高上层薄膜沉积质量；
[0036]b.在基板衬底I通过真空蒸镀方法制备一层金属薄膜，本实施例的金属采用Au，厚度为50纳米，通过光刻的方法形成源漏电极4，沟道长度为30微米；
[0037]c.采用真空蒸镀的方法在基板衬底I和源漏电极4上制备N型第一层半导体层2，本实施例采用的N型半导体材料为十六氟代酞菁铜(F16CuPc),第一层半导体层2的厚度为20纳米；
[0038]d.采用真空蒸镀的方法，在第一层半导体层2表面制备P型的第二层半导体层3，本实施例采用的P型半导体材料为酞菁铜(CuPc)，第二层半导体层3的厚度为10纳米；
[0039]e.采用物理吸附法，将单链DNA分子探针5固定在第二层半导体层3上，即得底接触器件结构的半导体异质结DNA生物传感器。
[0040 ]在应用本实例DNA生物传感器检测时，DNA分子探针(5)与待测样品中的单链DNA分子杂交，形成双链DNA分子，引起了半导体异质结器件电学性能的变化，以达到检测目标DNA的效果。
[0041 ] f.本实例DNA生物传感器的性能分析:
[0042]参见图2，对于半导体异质结器件，当DNA分子探针在器件表面固定以前，器件的在50V偏压下的电流达到了2.33μΑ。
[0043]当DNA分子探针在器件表面固定以后，器件电学性能发生明显的变化。由于DNA分子带负电，会引起半导体异质结界面电荷数量的增多，因而器件的体电阻会减小。如图2所示，器件在50V偏压下的电流达到了 3.06μΑ.
[0044]把待测的DNA互补链滴入本实例的DNA生物传感器上进行杂交，器件的电学性能发生进一步的变化，杂交后形成的双链DNA分子能够引起半导体异质结界面电荷数量进一步增多，因而器件的体电阻进一步减小。如图2所示，器件此时在50V偏压下的电流达到了3.75μΑ.
[0045]与传统DNA生物检测方法相比，这种无标记的DNA生物传感器减少了复杂的标记过程，降低了 DNA检测成本，通过对半导体异质结器件电流的测试，能够很好的区分出目标DNA分子，因此这是制备DNA生物传感器的一种很好的方法。
[0046]实施例2
[0047]采用与实施例1相同的制备步骤，制得相同结构的半导体异质结DNA生物传感器，制备方法如下:
[0048]a.选用硅片作为基板衬底I，并在基板衬底I表面用绝缘聚合物涂层进行平滑，本实施例采用的涂层为聚乙烯醇(PVA)，从而提高上层薄膜沉积质量；
[0049]b.在基板衬底I上通过溅射制备一层导电薄膜，本实施例采用ITO透明导电薄膜，厚度为50nm，通过光刻的方法形成源漏电极4;
[0050]c.采用真空蒸镀的方法在基板衬底I和源漏电极4上制备N型第一层半导体层2，本实施例采用的N型半导体材料为C60，第一层半导体层2的厚度为10纳米；
[0051 ] d.采用真空蒸镀的方法，在第一层半导体层2表面制备P型的第二层半导体层3，本实施例采用的P型半导体材料为并五苯(Pentacene)，第二层半导体层3的厚度为5纳米；
[0052]e.采用化学吸附法，将单链DNA分子探针5固定在第二层半导体层3上，即得半导体异质结DNA生物传感器。
[0053]在应用本实例DNA生物传感器检测时，DNA分子探针5与待测样品中的单链DNA分子杂交，形成双链DNA分子，引起了半导体异质结器件电学性能的变化，以达到检测目标DNA的效果。
[0054]f.本实例DNA生物传感器的性能分析:
[0055]参见图3，对于半导体异质结器件，当DNA分子探针在器件表面固定以前，器件的在50V偏压下的电流达到了 1.17μΑ。
[0056]当DNA分子探针在器件表面固定以后，器件电学性能发生明显的变化。由于DNA分子带负电，会引起半导体异质结界面电荷数量的增多，因而器件的体电阻会减小。如图2所示，器件在50V偏压下的电流达到了 3.62μΑ.
[0057]把待测的DNA互补链滴入本实例的DNA生物传感器上进行杂交，器件的电学性能发生进一步的变化，杂交后形成的双链DNA分子能够引起半导体异质结界面电荷数量进一步增多，因而器件的体电阻进一步减小。如图3所示，器件此时在50V偏压下的电流达到了4.91μΑ。
[0058]实施例3
[0059]采用与实施例1相同的制备步骤，制得相同结构的底接触器件结构的半导体异质结DNA生物传感器，不同之处在于:
[0060](I)基板衬底的材料为陶瓷;基板衬底表面用聚苯乙烯进行平滑；
[0061](2)在基板衬底上制备一层金属薄膜，本实施例的金属采用Ti，通过光刻的方法形成源漏电极，源漏电极的厚度为50nm ；
[0062](3)采用旋涂的方法在基板衬底和源漏电极上制备P型第一半导体层，本实施例采用的P型半导体材料为聚噻吩，第一半导体层的厚度为40纳米；
[0063](4)采用旋涂的方法，在第一半导体层表面制备N型的第二半导体层，本实施例采用的N型半导体材料为3，4，9，10_茈四羧酸二酐(PTCDA)，第二半导体层的厚度为20纳米。
[0064]实施例4
[0065]采用与实施例1相同的制备步骤，制得相同结构的顶接触器件结构的半导体异质结DNA生物传感器，不同之处在于:
[0066](I)基板衬底的材料为塑料聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET);基板衬底表面用聚苯乙烯进行平滑；
[0067](2)在基板衬底I上通过溅射制备一层导电薄膜，本实施例采用ITO透明导电薄膜，厚度为30nm，通过光刻的方法形成源漏电极4，源漏电极的厚度为I Onm ；
[0068](3)采用溅射的方法在基板衬底上制备N型的第一层半导体层，本实施例采用的N型半导体材料为氧化铟镓锌，第一层半导体层的厚度为2纳米；
[0069](4)采用真空蒸镀的方法，在第一层半导体层表面制备P型的第二层半导体层，本实施例采用的P型半导体材料为并五苯，第二层半导体层的厚度为0.1纳米。
【主权项】
1.一种半导体异质结DNA生物传感器，其特征在于，该传感器包括半导体异质结器件和DNA分子探针(5)，所述半导体异质结器件包括基板衬底(1)、第一半导体层(2)、第二半导体层(3)和源漏电极(4)，所述DNA分子探针(5)位于所述第二半导体层(3)表面。2.根据权利要求1所述的一种半导体异质结DNA生物传感器，其特征在于，所述的半导体异质结器件结构具体为:第一半导体层(2)位于基板衬底(I)上方、第二半导体层(3)位于第一半导体层(2)上方、源漏电极(4)位于第一半导体层(2)和第二半导体层(3)的两侧。3.根据权利要求1所述的一种半导体异质结DNA生物传感器，其特征在于，所述的基板衬底(I)为绝缘材料，包括玻璃、陶瓷、塑料或硅片中的一种;所述第一半导体层(2)的材料包括P型半导体或N型半导体，所述第二半导体层(3)的半导体型号与第一半导体层(2)不同，第二半导体层(3)的材料包括N型半导体或P型半导体，所述源漏电极(4)的材料包括Au、Ag、Mo、Al、Cu、Cr、T1、石墨稀、碳纳米管、ITO或ZnO中的任意一种或几种材料形成的复合材料。4.根据权利要求3所述的一种半导体异质结DNA生物传感器，其特征在于，所述的P型半导体包括酞菁铜、酞菁锌、酞菁镍、酞菁钴、自由酞菁、酞菁铂、酞菁铅、酞菁氧钒、酞菁氧钛、酞菁氯铝、酞菁二氯锡、酞菁氧锡、红荧烯、并五苯、并三苯、并四苯、聚吡咯、聚噻吩、聚三六甲基噻吩、聚苯酚或聚2，5_噻吩乙炔中的一种； 所述N型半导体包括C6Q、氟代酞菁铜、氟代酞菁锌、氟代酞菁铁、氟代酞菁钴、氯代酞菁铜、氯代酞菁锌、氯代酞菁铁、氯代酞菁钴、酞菁氧钛、氟代六噻吩、氯代六噻吩、3，4，9，10-茈四羧酸二酐，N，N’_二苯基-3，4，9，10-茈四羧酸二胺、四氰基二甲基醌、1，4，5，8_萘四羧酸二酐、I，4，5，8_萘四羧酸二胺、11，11，12，12-四氰基二甲基萘醌、四甲基四砸代富瓦烯、ZnO、氧化铟镓锌、氧化铪铟锌、氧化铝铟锌或氧化锌铟锡中的一种。5.根据权利要求1所述的一种半导体异质结DNA生物传感器，其特征在于，所述的基板衬底(I)表面涂覆有绝缘聚合物;所述绝缘聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇或聚苯乙烯中的一种。6.根据权利要求1所述的一种半导体异质结DNA生物传感器，其特征在于，所述的DNA分子探针(5)是由单链DNA分子在第二层半导体层(3)表面通过物理或化学吸附的方式固定。7.根据权利要求1所述的一种半导体异质结DNA生物传感器，其特征在于，所述的第一层半导体层(2)的厚度为2?40nm，所述第二层半导体层(3)的厚度为0.1?20nm，所述的源漏电极(4)的厚度为10?50nmo8.—种如权利要求1?7任一所述半导体异质结DNA生物传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下几个步骤: (1)采用真空蒸镀方法或溅射的方法在基板衬底(I)上制备一层导电薄膜，通过光刻的方法形成源漏电极(4); (2)通过真空蒸镀或溅射或旋涂的方法将P型半导体或N型半导体覆盖基板衬底(I)表面，形成第一半导体层(2); (3)通过真空蒸镀或溅射或旋涂的方法将N型半导体或P型半导体覆盖第一半导体层(2)表面，形成第二半导体层(3); (4)在第二半导体层(3)上固定DNA分子探针(5)，得到相应的生物传感器。9.一种如权利要求1?7任一所述半导体异质结DNA生物传感器的应用，其特征在于，所述生物传感器用于检测DNA分子，所述生物传感器通过半导体异质结器件的电流或电阻变化来检测DNA分子。
【文档编号】G01N27/327GK105861294SQ201610212731
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】顾文, 李文尧, 刘宏波
【申请人】上海工程技术大学