专利名称：基于碳纳米管场效应晶体管的生物检测器件的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种基于非共价修饰单壁碳纳米管的场效应晶体管生物检测器件的制造方法，属于纳电子器件制造和生物分析检测技术领域。
背景技术：
由于单壁碳纳米管(SWNTs)优良的电学性能，基于半导体性单壁碳纳米管的场效应晶
体管被广泛研究。目前，制备方法主要有几大类 一是模板法，在加工有特定图案和催化剂小岛的硅衬底上，利用CVD方法生长出单壁碳纳米管，再结合微电子加工技术来达到良好的欧姆接触；二是电极法，先将碳纳米管超声分散、均匀分布于硅衬底上，然后利用聚焦离子束技术在感兴趣的碳纳米管上沉积出金属电极；三是首先利用微加工方法在衬底上加工出纳电极，再将碳纳米管超声分散在有机溶剂里，用洒落或Spin Coating (旋涂)的方式分散在加工有纳电极的衬底表面上，使部分碳纳米管连接在金属电极之间，从而构成场效应管器件。还有一类为采用外加辅助电场，使分散在有机悬浮液中的碳纳米管取向连接到源漏电极之间。每一类方法各有优缺点，各有应用。在发明"碳纳米管构成多沟道场效应晶体管的方法"的专利文献(中国专利公开号CN1697146A，
公开日为2005年11月16日)中，张亚非等人对外加辅助电场的方法做了改进，将多条碳纳米管相互分开地连接于电极结构之间，提出了一种碳纳米管构成多沟道场效应晶体管的方法。但不适用于本发明中后续生物检测，原因是可能会在碳纳米管表面吸附伴刀豆蛋白(ConA)时造成多条碳纳米管之间彼此相互干扰，影响检测，故本发明采用洒落法将单根碳纳米管束连接于源漏电极之间，构成单根碳纳米管束的场效应管器件。虽然洒落法存在随机性，不便控制的缺点，但简便快捷，可根据需要灵活选择合适的器件，故采用。
环境中的被检测分子在单壁碳纳米管上的吸附会使碳纳米管场效应管器件的电学性能显著改变。碳纳米管传感器在灵敏性，可室温下操作，具有小尺寸以适应微型化和集成化需要等方面都比传统的金属氧化物电传感材料有显著的优点，已被用作化学传感器检测氧气、氨气、水蒸气、二氧化氮，因而也被希望作为相当灵敏的生物检测工具。最近，碳纳米管和半导体纳米线场效应晶体管被成功用于检测蛋白，肿瘤标志物，小分子和某些病毒。但很少见到以碳纳米管场效应管检测糖-蛋白作用的报道。糖-蛋白作用是一系列生命过程的关键，如凝血作用，免疫应答，胚胎形成以及细胞信号传导。此外，这些生物分子作用也涉及到病毒性疾病的过程，如癌细胞转移，细菌和病毒感染，风湿关节炎及炎症等。本发明中糖-蛋白作用检测器件的制造有助于更为通用、高效的生物传感器的研制及在生命过程、疾病诊断治疗等领域中应用的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以碳纳米管场效应晶体管做为灵敏的生物检测工具，检测糖-蛋白特异性识别作用的检测器件的制造方法，也可选择不同糖分子修饰来检测不同受体，从而构成一种通用、灵敏的生物检测器件。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，具体步骤如下
1) 将单壁碳纳米管进行纯化处理，并以1,2-二氯乙烷分散，制成稳定分散的碳纳米管极稀溶液；
2) 在表面含有绝缘层的硅片上采用光刻技术制作出叉指电极对图案，作为场效应晶体管器件的源、漏电极
3) 将分散好的碳纳米管溶液滴在经步骤2制成的叉指电极对表面，使碳纳米管(束)在溶剂挥发后搭建在源漏电极之间；
4) 施加+10V的栅压，同时施加较大直流偏压，烧蚀金属性碳纳米管，保留半导体性碳纳米管，得到基于碳纳米管(束)的场效应晶体管器件；
5) 选出性能良好的器件于室温下静置于糖基两亲化合物十八烷基糖酰胺水溶液中浸泡，冲洗，吹干，得到非共价糖基化的碳纳米管场效应晶体管器件；
6) 糖基化的器件浸入凝集素/磷酸盐缓冲溶液(PBS)培育，制得可检测糖-凝集素特异性识别的碳纳米管场效应晶体管生物检测器件。
所述的碳纳米管纯化处理是指，将碳纳米管按1:30的比例在6 M的盐酸中微沸状下回流12小时，干燥后于管式炉中35(TC下空气中加热1小时，再超声分散于8M的盐酸中浸泡24小时，收集后再于管式炉中420'C下加热30分钟，使石墨碎片、无定形碳颗粒及金属催化剂等杂质在焙烧和盐酸溶解中被有效地除去，提高碳纳米管的纯度，使其便于溶解分散和电学性能测量；将干燥的纯化碳纳米管粉末置于1,2-二氯乙烷中在频率为40 KHz的超声波下分散IO分钟，制得稳定分散的碳纳米管极稀溶液。
所述的电极制作方法是指，在含有200nm厚二氧化硅绝缘层的p型重掺硅片表面，由紫外光刻和剥离(lift-off)技术制备叉指型源、漏电极，电极对长度为5nm，宽度介于2-4nm之间，电极间距介于2-4nm之间；电极材料是Au、 Pt、 Al、 Cu中的一种。
所述的金属性碳纳米管烧蚀办法是指以硅衬底为背栅，施加+10 V的栅压，使半导体性SWNTs的载流子耗尽处于截止状态，同时在源漏电极上施加较大的直流偏压，使电流几乎都从金属性的SWNTs上通过，将金属性的SWNTs烧断，而半导体性的SWNTs遗留下来作为导电沟道，从而构成碳纳米管场效应管器件。
所述的糖基两亲化合物十八烷基糖酰胺由十八垸基胺和糖酸内酯在二甲亚砜(DMSO)中6(TC下反应2天制得；糖分子是葡萄糖、麦芽糖、甘露糖、乳糖、半乳糖中的一种。
所述的糖基化是指，将碳纳米管场效应晶体管器件室温下静置于0.5 wtW的十八烷基糖酰胺溶液中浸泡过夜，使十八烷基糖酰胺通过垸基长链(Q8脂肪链)和碳纳米管表面的疏水作用吸附在碳管表面，而成簇的糖残基趋向于伸向溶液中，使碳纳米管表面完成非共价糖基化，便于糖和凝集素的特异性识别；用去离子水反复清洗器件，以去除碳纳米管表面和周围硅片表面多余的十八烷基糖酰胺。
所述的糖-凝集素识别过程是指，将糖基化的器件浸入一定浓度的凝集素/磷酸盐缓冲溶液(PBS)中于一定温度下静置培育1小时，取出，以去离子水反复冲洗以去除非特异性吸附的凝集素分子并以N2气吹干；凝集素是伴刀豆蛋白(ConA)、甘露糖结合凝集素(MBP)、半乳凝集素中的一种。
本发明的工作原理是采用极稀的SWNT/l，2-二氯乙垸溶液，可使SWNT在1,2-二氯乙烷中稳定分散成细小的管束，便于单一的SWNT细小管束搭建在源漏电极之间，使金属性SWNT的在后续处理中容易被烧断。1,2-二氯乙烷本身挥发性极强，不会在电极中引入杂质，保证了 SWNT的纯度。以简单的糖基化合物十八烷基糖酰胺非共价修饰SWNT管束，使碳纳米管通过物理吸附成为糖类物质的多价阵列平台，保持了 SWNT的结构和电学性能，浓密的糖残基使碳纳米管表面具有的高亲水性降低了蛋白分子的非特异性吸附，从而保证了糖配体与受体之间的特异性结合。以碳纳米管场效应晶体管做为灵敏的生物检测工具，有效地检测了糖和凝集素的特异性结合过程。
本发明的优点和效果是本发明的方法中碳纳米管糖基化简单快速，简化了糖配体化合物合成过程，使碳纳米管通过物理吸附成为糖类物质的多价阵列平台，保证了糖配体与受体之间的特异性结合，且有效地保持了纳米管的固有结构和优良的电学性能，浓密的糖残基使碳纳米管表面具有的高亲水性降低了其他蛋白分子的非特异性吸附。基于碳纳米管场效应晶体管的生物检测器件，灵敏地检测了糖和凝集素的特异性结合过程。可选择修饰不同的糖分子来检测不同受体，构成一种通用、灵敏、高效的生物检测器件。
图1为本发明的碳纳米管场效应晶体管器件的结构示意图。图2为本发明的碳纳米管场效应晶体管器件的实物照片。
其中a为制备的碳纳米管场效应晶体管器件的源漏电极对的显微镜照片；b为源漏电极
之间搭建了一个小的SWNTs管束的碳纳米管场效应晶体管器件的扫描电子显微镜(SEM)照片。
图3为伴刀豆蛋白ConA在糖基化修饰后的SWNTs表面特异性吸附过程的示意图。
图4为碳纳米管场效应晶体管器件初始性能及各个修饰阶段的转移特性曲线。其中插图
为吸附了 Con A之后的糖基化SWNTs的原子力显微镜(AFM)照片。
具体实施例方式
实施例1:本实施例采用洒落法快速构建碳纳米管场效应晶体管，进行非共价糖基化修饰，并检测糖-ConA的特异性识别作用。首先将单壁碳纳米管进行纯化处理，将碳纳米管按1:30的比例在6 M的盐酸中微沸状态下回流12小时，以0.8 孔径的滤膜进行抽滤，干燥后于管式炉中350"C下空气中加热1小时，研磨后再超声分散于8 M的盐酸中浸泡24小时，收集后再于管式炉中42(TC下加热30分钟，使石墨碎片、无定形碳颗粒及金属催化剂等杂质在焙烧和盐酸溶解中被有效地除去，提高碳纳米管的纯度，使其方便溶解分散和电学性能测量。将干燥的纯化碳纳米管粉末置于1,2-二氯乙烷中在频率为40 KHz的超声波下超声1小时，制得稳定分散的碳纳米管极稀溶液。
在表面含有200nm厚二氧化硅绝缘层的p型硅片上采用光刻技术制作出Au叉指电极对图案，电极对长5 pm，宽3 pm，电极间距3 Mm。图1为碳纳米管场效应晶体管器件的结构示意图，图2 a为制备的碳纳米管场效应晶体管器件的源漏电极对的显微镜照片。以微量移液器取分散好的碳纳米管极稀溶液2^L滴在叉指电极对表面，待溶剂挥发后，借助扫描电镜SEM选择在源漏电极之间搭建了碳纳米管(或细小的束)的器件(图2b)，以硅衬底为背栅，施加+10 V的栅压，采用施加大电流的方法烧断金属性SWNT，得到基于碳纳米管(束)的场效应晶体管器件。室温下将器件静置于糖基两亲化合物十八烷基麦芽糖酰胺(NOMA)水溶液(0.5 wt%)中浸泡过夜，使十八烷基麦芽糖酰胺物理吸附到碳纳米管表面，取出，去离子水反复冲洗，以去除碳纳米管表面和周围硅片表面多余的十八垸基麦芽糖酰胺。N2气吹干，得到非共价糖基化的碳纳米管场效应晶体管器件。再将衬底浸入10 mL 0.1 mg/mL的ConA/PBS溶液(PBS， 0.1 M， pH7.06，含0.1 mMCaCl2, 0.1 mMMnCl2， 0.1 MNaCl)中于25 °C下培育l小时，取出，以去离子水反复冲洗以去除非特异性物理吸附的ConA并以N2气吹干。制得可检测糖-凝集素特异性识别的单壁碳纳米管场效应晶体管生物检测器件(图3，图4中插图)。图4为每个修饰阶段，碳纳米管场效应晶体管检测器件的转移特性曲线。源漏电压(VsD)为l V时，栅压(Vg)在-10V +10 V间扫描。从图中可以看到，在十八烷基麦芽糖酰胺修饰之前，器件在一定的Vsd (1 V)下，随着Vcj的增大，输出电流isd减小，当Ve大于5V时沟道电导很小，碳纳米管场效应晶体管被关断，呈现出p型场效应管特性。但修饰十八垸基麦芽糖酰胺后，器件性能显著改变，呈现n型特性。这很可能是由于十八垸基麦芽糖酰胺分子中仲胺基(-NH)具有给电子能力引起的。吸附了 ConA之后，器件测出的输出电流IsD比修饰前显著降低，而且关断电压向负方向有较大位移，表明伴刀豆蛋白Con A分子己通过与麦芽糖残基的结合成功吸附在糖基化后的生物检测器件上。
权利要求
1. 一种基于碳纳米管场效应晶体管的生物检测器件的制造方法，其特征在于，采用光刻技术在表面含有绝缘氧化层的硅基底上制作叉指金电极作为场效应晶体管器件的源、漏电极，将单壁碳纳米管(束)搭建在源、漏电极之间作为导通沟道，以Si基底作为栅极，构造基于碳纳米管的场效应晶体管；对碳纳米管束表面非共价糖基化生物修饰，得到了用于糖—蛋白特异性识别检测的单壁碳纳米管场效应管生物检测器件，选择修饰不同糖分子可分别检测不同糖配体和受体间特异性结合行为；该方法主要包括以下步骤1)将单壁碳纳米管进行纯化处理，并以1，2-二氯乙烷分散，制成稳定分散的碳纳米管极稀溶液；2)在表面含有绝缘层的硅片上采用光刻技术制作出叉指电极对图案，作为场效应晶体管器件的源、漏电极；3)将分散好的碳纳米管溶液滴在经步骤2制成的叉指电极对表面，使碳纳米管(束)在溶剂挥发后搭建在源漏电极之间；4)施加+10V的栅压，同时施加较大直流偏压，烧蚀金属性碳纳米管，保留半导体性碳纳米管，得到基于碳纳米管(束)的场效应晶体管器件；5)选出性能良好的器件于室温下静置于糖基两亲化合物十八烷基糖酰胺水溶液中浸泡，得到非共价糖基化的碳纳米管场效应晶体管器件；6)糖基化的器件浸入凝集素/磷酸盐缓冲溶液(PBS)培育，制得可检测糖-凝集素特异性识别的碳纳米管场效应晶体管生物检测器件。
2. 根据权利要求1所述的基于碳纳米管场效应晶体管的生物检测器件的制造方法，其特征 是，所述的碳管纯化处理是指，将碳纳米管按1:30的比例在6 M的盐酸中微沸状态下回 流12小时，干燥后于管式炉中35(TC下空气中加热1小时，再超声分散于8M的盐酸中 浸泡24小时，收集后再于管式炉中420'C下加热30分钟，使石墨碎片、无定形碳颗粒及 金属催化剂等杂质在焙烧和盐酸溶解中被有效地除去，提高碳纳米管的纯度，使其便于溶 解分散和电学性能测量;将干燥的纯化碳纳米管粉末置于l,2-二氯乙烷中在频率为40KHz 的超声波下分散IO分钟，制得稳定分散的碳纳米管极稀溶液。
3. 根据权利要求1所述的基于碳纳米管场效应晶体管的生物检测器件的制造方法，其特征 是，所述的电极制作方法是指，在含有200 nm厚二氧化硅绝缘层的p型重掺硅片表面， 由紫外光刻和剥离(lift-off)技术制备叉指型源、漏电极，电极对长度为5pm,宽度介于 2-4nm之间，电极间距介于2-4(im之间；电极材料是Au、 Pt、 Al、 Cu中的一种。
4. 根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管场效应晶体管的生物检测器件的制造方法，其特 征是，所述的金属性碳纳米管烧蚀办法是指以硅衬底为背栅，施加+10V的栅压，使半导 体性SWNTs的载流子耗尽处于截止状态，同时在源漏电极上施加较大的直流偏压，使电 流几乎都从金属性的SWNTs上通过，将金属性的SWNTs烧断，而半导体性的SWNTs 遗留下来作为导电沟道，从而构成碳纳米管场效应管器件。
5. 根据权利要求1所述的基于碳纳米管场效应晶体管的生物检测器件的制造方法，其特征 是，所述的糖基两亲化合物十八垸基糖酰胺由十八烷基胺和糖酸内酯在二甲亚砜(DMSO) 中6(TC下反应2天制得；糖分子是葡萄糖、麦芽糖、甘露糖、乳糖、半乳糖中的一种。
6. 根据权利要求1所述的基于碳纳米管场效应晶体管的生物检测器件的制造方法，其特征 是，所述的糖基化是指，将碳纳米管场效应晶体管器件室温下静置于0.5 wtM的十八烷基 糖酰胺水溶液中浸泡过夜，使十八垸基糖酰胺通过烷基长链(ds脂肪链)和碳纳米管表面 的疏水作用吸附在碳碳纳米管表面，而成簇的糖残基趋向于伸向溶液中，使碳纳米管表面 完成非共价糖基化，便于糖和凝集素的特异性识别；用去离子水反复清洗器件，以去除碳 纳米管表面和周围硅片表面多余的十八烷基糖酰胺。
7. 根据权利要求1所述的基于碳纳米管场效应晶体管的生物检测器件的制造方法，其特征 是，所述的糖-凝集素识别过程是指，将糖基化的器件浸入一定浓度的凝集素/PBS溶液中 于一定温度下静置培育1小时，取出，以去离子水反复冲洗以去除非特异性吸附的凝集素 分子并以N2气吹干；凝集素是伴刀豆蛋白(Con A)、甘露糖结合凝集素(MBP)、半乳 凝素中的一种。
全文摘要
本发明涉及一种基于非共价修饰单壁碳纳米管的场效应晶体管生物检测器件的制造方法，属于纳电子器件制造和生物分析检测技术领域。具体步骤如下将单壁碳纳米管(束)搭建在以光刻技术在表面含有绝缘氧化层的硅基底上制作出的叉指源、漏电极之间，构造基于碳纳米管的场效应晶体管。对碳纳米管表面非共价糖基化生物修饰，得到用于糖-蛋白特异性识别作用检测的碳纳米管场效应管器件。本发明中可选择修饰不同糖分子分别检测不同糖配体和受体间特异性结合行为，从而构成通用、灵敏、高效的碳纳米管场效应管生物检测器件。
文档编号G01N27/414GK101520430SQ20091004652
公开日2009年9月2日 申请日期2009年2月24日 优先权日2009年2月24日
发明者群 付, 吴明红, 王德庆 申请人:上海大学