利用石墨烯修饰高电子迁移率晶体管测量dna杂化方法
【专利摘要】本发明涉及石墨烯的转移技术和DNA的固定技术，利用石墨烯修饰高电子迁移率晶体管（HEMT）并且固定探针DNA，进行DNA杂化的测量，实现快速、灵敏及新颖电流响应模式的DNA杂化检测的利用石墨烯修饰高电子迁移率晶体管测量DNA杂化的方法，该方法首先利用分子束外延法构建HEMT；随后利用石墨烯将探针DNA固定到HEMT栅极表面；最后滴加目标DNA进行杂化测量获得响应电流。利用本方法可实现对实际样品的DNA杂化检测。本方法简化了探针DNA固定到器件表面的过程，舍弃了复杂的化学过程。本方法中获得了新颖的DNA杂化识别模式。
【专利说明】利用石墨烯修饰高电子迁移率晶体管测量DNA杂化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石墨稀的转移技术和DNA的固定技术，利用石墨稀修饰商电子迁移率 晶体管（HEMT)并且固定探针DNA，进行DNA杂化的测量，实现快速、灵敏及新颖电流响应模 式的DNA杂化检测。
【背景技术】
[0002] 实现DNA杂化的迅速、灵敏检测，在食品安全检测、环境监测、疾病诊断、刑侦调查 等方面起着十分重要的作用。目前对DNA的检测方法主要有电化学方法和光化学方法，尽 管以上方法已经获得了良好的检测结果，但是仍旧存在检测效率低和检测费用昂贵的问 题。利用场效应晶体管（FET)对DNA杂化进行检测，是解决以上问题的一种有效手段。高 电子迁移率晶体管（HEMT)作为一种特殊的FET，在化学和生物传感器方面有着巨大的潜在 应用价值。由于HEMT层状结构中的二维电子气具有极高的电子迁移能力，而使得其具有优 异的灵敏探测特性--当HEMT栅极表面的电子浓度有微小的变化时即可被检测到。Kang 等人就利用HEMT这一特性，将巯化过的DNA固定在HEMT栅极表面，进行DNA杂化测试（B. S. Kang, S. J. Pearton，J. J. Chen, et al，Applied Physics Letters 2006，89， 122102. )。Kang等的工作需要一个复杂的化学过程才能将DNA固定到HEMT表面，并且他们 没有在文章中提到用HEMT检测DNA杂化的检测线及灵敏度。
[0003] 石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，它是一种由碳原子以sp2 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯以 其独特的结构和优异的性能，吸引了大量的关注。在石墨烯众多的物理、化学性能中，高比 表面积、易功能化、超高电子迁移率和良好的生物相容性，使其在生物样品检测方面具有了 很高的潜在应用价值。将石墨烯及其衍生物应用于酶生物传感和免疫传感检测已经有了大 量研究。由于将DNA与石墨烯结合，可以使DNA具有抵抗DNA酶的消化的能力，已经有不少 研究表明，利用石墨烯及其衍生物构建FET对DNA进行检测，可以进行实时监控和DNA无标 记（R. Stine, J. T. Robinson, Ρ· E. Sheehan, et al，Adv. Mater. 2010，22，5297; Z. Yin, Q. He, X. Huang, Nanoscale 2012，4，293·)。由于实际样品中 DNA 的含量往 往低于20fM (l(T15m〇l/L)，FET型DNA传感器需要更高的灵敏度。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明的主要目的是实现无标记DNA传感器的迅速（5分钟 内）、超低浓度检测(低于20fM)，适应实际样品的需求，同时做到简化DNA固定到FET上的程 序，并且获得新颖的DNA杂化识别模式的石墨烯修饰高电子迁移率晶体管测量DNA杂化的 方法 本发明的技术方案是：利用石墨烯修饰高电子迁移率晶体管测量DNA杂化方法 ，具体包括以下步骤： 首先，HEMT的构建：利用分子束外延技术构建HEMT层状结构，580°C在，沉积GaAs层 1 μ m，A1Q.26 Gaa 7As 层 3nm，Si 惨杂 AlGaAs 层 22nm，及 Si 惨杂 GaAs 帽层 5nm。沉积 Ni/ AuGe/Ni/Au 作为 HEMT 的源极和漏极，其中，Ni: 50 nm, AuGe: 204 nm, Ni: 10 nm, Au: 50 nm)作为HEMT的源极和漏极。最后，利用等离子体增强化学气相沉积法将Si02绝缘层 沉积到器件表面。最后，用石蜡对HEMT进行封装，仅保持栅极暴露在外。
[0005] 其次，探针DNA固定到HEMT栅极：将探针DNA溶液与浓度为0· 1-10 mg/mL石墨 烯乙醇分散液，进行混合，其混合比例为DNA溶液体积：石墨烯分散液体积为1:3-6,在温度 为18-22°C下将混合液孵化30-50分钟，将适量孵化液滴在步骤1制备得到的HEMT栅极上， 在温度为〇_4°C下进行孵化和干燥、备用；其中，探针DNA溶液由磷酸盐缓冲液配置，浓度在 0. 01-10μΜ ； 最后，石墨烯修饰HEMT对DNA杂化进行检测：将不同浓度的目标DNA滴加到已经固定 了探针DNA的HEMT栅极，测量HEMT源极和漏极之间的电流变化，获得DNA杂化电流。
[0006] 本发明的优点或积极效果： 利用本方法可实现对实际样品的DNA杂化检测。
[0007] 本方法简化了探针DNA固定到器件表面的过程，舍弃了复杂的化学过程。
[0008] 本方法中获得了新颖的DNA杂化识别模式。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 图1为HEMT的层状结构示意图。
[0010] 图2为DNA杂化电流--"两个台阶"模式；任意DNA响应电流--"一个台阶" 模式的曲线示意图。
[0011] 图3为石墨烯修饰HEMT检测DNA杂化的线性范围和检测下限曲线示意图。
[0012] 图中：1. Ni/AuGe/Ni/Au 电极；2. Si02*缘层；3.栅极；4. Si 掺杂 AlGaAs 层；5. GaAs 层；6.绝缘 GaAs 沉底；7. AlGaAs 层；8. Si 掺杂 AlGaAs 帽层。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
[0014] 实施例1 : 构建2mmX 5mm尺寸的HEMT。
[0015] 用lmg/mL，5PL的石墨烯乙醇分散液和23个碱基对的探针DNA溶液（0. ?μΜ，2〇μυ 在温度为18°C下将混合液孵化30分钟，将混合液滴加到HEMT栅极表面，4°C干燥12小时再 进行DNA杂化检测。
[0016] 本实施方式中使用的DNA序列如下： 探针 DNA :5' -AAT-CAA-CTG-GGA-GAA-TGT-AAC-TG-3' 目标 DNA :5, -CAG-TTA-CAT-TCT-CCC-AGT-TGA-TT-3， 任意 DNA :5' -ACC-TTC-CTC-CGC-AAT-ACT-CCC-3' 对已经固定了探针DNA的HEMT进行DNA杂化检测，5分钟左右即可得到"两个台阶模 式" DNA杂化响应电流。若滴加任意DNA到HEMT栅极表面，则只能得到"一个台阶模式"的 响应电流。石墨烯修饰HEMT检测DNA杂化的新颖电流识别模式见图2。
[0017] 在HEMT表面滴加不同浓度的目标DNA，得到DNA杂化检测的线性范围从0. lfM至IJ 0· lpM (l(T12mol/L)，检测下限可达 0.07fM，见图 3。
[0018] 实施例2: 构建5mmX 5mm尺寸的HEMT。
[0019] 用0. 5mg/mL，5PL的石墨烯乙醇分散液和27个碱基对的探针DNA溶液（0. ?μΜ， 25μυ在温度为20°C下将混合液孵化40分钟，将混合液滴加到ΗΕΜΤ栅极表面，2°C干燥12 小时再进行DNA杂化检测。
[0020] 本实施方式中使用的DNA序列如下： 探针 DNA :5' -AAT-CAA-CTG-GGA-GAA-TGT-AAC-TGA-CCT-3' 目标 DNA :5, -AGG-TCA-GTT-ACA-TTC-TCC-CAG-TTG-ATT-3' 任意 DNA :5, -ACC-TTC-CTC-CGC-AAT-ACT-CCC-ACT-CTG-3' 对已经固定了探针DNA的HEMT进行DNA杂化检测，5分钟左右即可得到"两个台阶模 式" DNA杂化响应电流。若滴加任意DNA到HEMT栅极表面，则只能得到"一个台阶模式"的 响应电流。
[0021] 实施例3: 构建2mmX 2mm尺寸的HEMT。
[0022] 用lmg/mL，1〇μ?的石墨烯乙醇分散液和24个碱基对的探针DNA溶液（0. 2μΜ， 3〇μυ在温度为22°C下将混合液孵化50分钟，将混合液滴加到HEMT栅极表面，0°C干燥12 小时再进行DNA杂化检测。
[0023] 本实施方式中使用的DNA序列如下： 探针 DNA :5' -AAT-CAA-CTG-GGA-GAA-TGT-AAC-TGA-3' 目标 DNA :5, -TCA-GTT-ACA-TTC-TCC-CAG-TTG-ATT-3' 任意 DNA :5, -TTC-CTC-CGC-AAT-ACT-CCC-ACT-CTG-3' 对已经固定了探针DNA的HEMT进行DNA杂化检测，5分钟左右即可得到"两个台阶模 式" DNA杂化响应电流。若滴加任意DNA到HEMT栅极表面，则只能得到"一个台阶模式"的 响应电流。
【权利要求】
1.利用石墨烯修饰高电子迁移率晶体管测量DNA杂化方法，其特征在于，具体包括以 下步骤： 首先，HEMT的构建：在温度580°C下，分子束外延沉积GaAs层1 μ m，A1Q.26 GaQ.7As层 3nm，Si 掺杂 AlGaAs 层 22nm，及 Si 掺杂 GaAs 帽层 5nm ;沉积 Ni/AuGe/Ni/Au 作为 HEMT 的 源极和漏极，其中，Ni: 50 nm, AuGe: 204 nm, Ni: 10 nm, Au: 50 nm;利用等离子体增强 化学气相沉积法将Si02绝缘层沉积到器件表面；用石蜡对HEMT进行封装，仅保持栅极暴露 在外； 其次，探针DNA固定到HEMT栅极：将探针DNA溶液与浓度为0. 1-10 mg/mL石墨烯乙 醇分散液，进行混合，其混合比例为DNA溶液体积：石墨烯分散液体积为1:6-1:3,在温度为 18-22°C下将混合液孵化30-50分钟，随后，将适量孵化液滴在步骤1制备得到的HEMT栅极 上，在温度为〇_4°C下进行孵化和干燥、备用；其中，探针DNA溶液由磷酸盐缓冲液配置，浓 度在 0. 01-10μΜ; 最后，石墨烯修饰HEMT对DNA杂化进行检测：将不同浓度的目标DNA滴加到已经固定 了探针DNA的HEMT栅极，测量HEMT源极和漏极之间的电流变化，获得DNA杂化电流。
【文档编号】G01N27/26GK104101626SQ201310113326
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月2日 优先权日:2013年4月2日
【发明者】张跃, 章潇慧, 廖庆亮, 刘硕, 王钦玉, 张铮 申请人:北京科技大学