基于石墨烯的生物检测系统及其制作集成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于石墨稀的生物检测系统，以及制作集成基于石墨稀的尚灵敏 生物检测系统的方法，具体涉及一种制作集成高灵敏纳米器件与测量系统的方法。
【背景技术】
[0002] 目前，糖尿病、心血管类疾病、呼吸道疾病、肝病、癌症是威胁人类健康的重大疾 病。虽然医学及相关学科不断发展进步，但人们在这些疾病的快速诊治上仍然进展缓慢；这 些疾病如果不能及时的得以发现，疾病到达晚期时几乎是很难治疗。而疾病不能够得以及 早发现的原因在于，其一，早期时，相关病发特征不明显，其分泌的相关蛋白因子数量相对 较少，用目前的检测手段不容易检测出来；其二，即使能检测出相关的疾病因子，其所需的 费用和时间也是比较多的；因此，开发出一种具有高灵敏度、快速且低成本的检测相关疾病 的系统，对危害人类健康的重大疾病的诊治具有深远意义。
[0003] 目前已经存在的大部分生物检测设备是基于电化学原理的设备，或者基于光学原 理，也存在一些基于场效应管FET的器件或者设备，甚至有一些基于纳米技术的场效应FET 器件或设备，甚至还将这几种方式结合起来形成的设备。电化学检测设备的技术比较成熟， 但是相比较，对溶液环境要求比较高，而且体积也相对比较大。而且现在的生物传感器主要 是针对一种单一的目标分子进行检测，由于与任何一种疾病相关的分子很多，并且他们可 能是相互独立的；因此，要更准确的检测一种疾病的存在，必须要对多种疾病因子进行联合 检测。专利CN101144809A利用金属银作为表面等离子体激元，在其表面修饰上化学基团并 连接上抗原分子，通过增强局域表面等离子体共振的强度，来提高生物分子检测的灵敏度。 专利CN1585896A是利用FET传感器来检测离子浓度和碱基序列，由于带电离子或者碱基序 列在溶液中存在德拜波长，因此如果离子和碱基序列离导电沟道相对较远时，其检测的灵 敏度也急剧下降。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种高灵敏生物检测系统的制作 集成方法。
[0005] 本发明的目的通过以下技术方案来实现：
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的生物检测系统，其包括，基于石墨烯的 生物传感器、调理电路、A/D转换芯片、驱动电路以及用于显示相关疾病的风险等级的显示 部；所述调理电路对该传感器输出信号进行放大处理；所述A/D转换芯片与驱动电路实现 数据的传输与微流体通道的控制。
[0007] 本发明所述的生物检测系统，所述基于石墨烯的生物传感器包括，石墨烯传感单 元以及微流体通道。
[0008] 本发明所述的生物检测系统，所述调理电路包括前置放大电路、低通滤波电路、主 放大器电路以及陷波电路。
[0009] 本发明所述的生物检测系统，所述A/D转换芯片与单片机相连，构建数据传输通 道；选取驱动电路，采用芯片L298N构建系统驱动电路，将驱动电路与单片机相连；判断溶 液浓度与定值之间的大小关系，并对微流体通道模块实现开关控制。
[0010] 本发明所述的生物检测系统，所述显示相关疾病的风险等级的显示部为液晶显示 丰旲块。
[0011] 本发明所述的生物检测系统，所述石墨烯传感单元选自石墨烯电阻型传感器、石 墨烯场效应传感器或石墨烯电化学生物传感器。
[0012] 本发明所述的生物检测系统，利用聚二甲基硅氧烷制作出所述微流体通道，并且 对微流体通道中的石墨烯进行修饰改性，使之修饰上不同的检测抗体或小分子，以检测不 同的目标分子。
[0013] 本发明所述的生物检测系统，所述石墨烯传感单元包括：作为衬底的氧化硅片、覆 盖其上的石墨烯、以及石墨烯两端的金属电极。
[0014] 本发明所述的生物检测系统，所述前置放大电路采用LM725CN带自动失调补偿的 三运放测量放大电路，且增加有一补偿网络；所述低通滤波电路由双运放集成电路0P2177 构成；所述主放大电路将分成前后两级，分别连接与50Hz陷波器的输入输出端；所述陷波 电路采用集成运放双T反馈选频放大器滤除部分以差模方式进入电路的工频干扰。
[0015] 本发明还提供一种基于石墨烯的生物检测系统的制作集成方法，包括以下步骤： 生物传感器的制作集成步骤、搭建调理电路对该传感器输出信号进行放大滤波处理的步 骤、利用A/D转换芯片与驱动电路实现数据的传输与微流体通道模块的控制的步骤、以及 利用统计学方法对实验数据进行分析，并建立一套疾病风险判定体系的步骤。
[0016] 本发明又一种基于石墨烯的生物传感器，包括，石墨烯传感单元以及微流体通道， 所述微流体通道中的石墨烯烃修饰改性后连接有检测抗体或小分子。
[0017] 本发明所述的基于石墨烯的生物传感器，所述石墨烯宽度在1-10000纳米之间、 厚度在0.5-5纳米之间。
[0018] 本发明所述的基于石墨烯的生物传感器，所述改性经由选自丙烯胺、11-溴代奎基 三氯硅烷、2-甲酯乙基三氯硅烷、辛基三氯硅烷、9-烯基氨基甲酸丁酯、氨丙烷基三氯硅烷 的化学基团。
[0019] 本发明所述的基于石墨烯的生物传感器，所述检测抗体或小分子选自DNA、RNA、蛋 白质、病毒或细胞。
[0020] 本发明所述的基于石墨烯的生物传感器，所述微流体通道的数量在1-200。
[0021] 本发明进一步提供一种基于石墨烯的生物传感器的制备方法，该方法包括以下步 骤：石墨烯传感单元的制备步骤以及微流体通道的制备步骤，所述微流体通道中的石墨烯 经修饰改性后连接有检测抗体或小分子。
[0022] 本发明所述的基于石墨烯的生物传感器的制备方法，该方法还包括结合蛋白的步 骤。
[0023] 本发明所述的基于石墨烯的生物传感器的制备方法，所述检测抗体或小分子选自 心肌肌钙蛋白标记物相应抗体、免疫球蛋白、神经干细胞。
[0024] 本发明涉及的技术方案，其突出的实质性特点和显著的进步主要体现在以下几个 方面。本发明涉及的基于石墨烯的生物检测系统的制作与集成方法，采用PDMS以及绝缘材 料来制作微流体通道，对通道中的石墨烯进行修饰，使得能够检测到不同类型的生物分子， 通过将这些生物分子的信息进行联合分析，能够更准确的对疾病进行检测。同时，采用石墨 烯作为检测的核心材料，可以与半导体工艺相结合，并且解决了光刻对准问题，能够提高器 件制作的精度，降低不良产品率，从而降低芯片成本。并且采用了钝化层对器件进行保护， 避免下一步反应中水分子、电流等的渗透，延长了系统的寿命。此外采用了单片机对微流体 通道进行了开关控制实现了检测的智能化。该方法制作的检测系统可以用来同时检测不同 类型的疾病相关因子（如DNA、RNA、蛋白质等），病毒或者细胞，具有尚灵敏度、稳定、易于集 成等优点。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明系统总体方案框图；
[0026] 图2为本发明场效应型传感器制作中表面钝化后器件剖面图；
[0027] 图3为本发明制作了场效应型传感器微流体通道后传感器结构剖面图；
[0028] 图4为本发明场效应型传感器表面改性，修饰上了检测分子后的传感器结构剖面 图；
[0029] 图5为针对传感器输出信号搭建的带自动失调补偿的三运放测量放大电路；
[0030] 图6为信号经过初级三运放放大电路后的滤波电路；
[0031] 图7为A/D转换芯片对数据进行转换处理并传输至单片机电路图；
[0032] 图8为微流体通道控制驱动电路；
[0033] 图9为数据分析处理后得到的关系拟合分布图；
[0034] 图10为利用液晶屏与单片机连接实现风险判定结果显示；
[0035] 图11为基于本发明的生物检测系统的流程图。
[0036] 图中，附图标记的含义如下：1娃衬底、2衬底二氧化娃、3顶层娃、4FET场效应管栅 极、5FET场效应管源极、6FET场效应管漏极、7石墨烯、8氮化硅钝化保护层、9聚二甲基硅氧 烧、10抗体、11微流体通道、12抗体识别单元。
【具体实施方式】
[0037] 本发明提供一种高灵敏的生物和化学检测系统的制作与集成方法。通过硅片制作 基于石墨烯的高灵敏生物传感器；继而设计调理电路对该传感器输出信号进行放大；然后 利用A/D转换芯片对数据进行转换处理并传输至单片机，从而实现检测数据的显示；最后， 利用驱动电路对微流体通道进行控制。用这种方法制作的生物检测系统可以用来检测不同 类型的疾病相关因子（如DNA、RNA、蛋白质等），病毒或细胞，具有高灵敏度、稳定、易于集成 等特点。同时，这种制造方法与传统半导体工艺相兼容，可以进行大规模生产，便于降低成 本。
[0038] 相比较于传统的检测设备，基于石墨烯的生物检测系统具有以下的优势：一、高灵 敏度，首先传感器中场效应晶体管本身就具有信号放大的作用，可以把作用上去的少量的 电荷信号进行放大；其次，由于石墨烯本身所具有的大的比表面积，分数量子霍尔效应等， 使得基于石墨烯的场效应FET传感器具有很高的灵敏度；二、快速，基于硅的半导体芯片的 速度可以达到GHz的频率，而基于石墨烯的场效应FET传感器甚至可能达到更高的速度，这 同传统的检测设备相比，其检测速度非常