专利名称：一种用于农药残留量检测的硅纳米线生物传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于分析检测技术领域，具体涉及一种用于农药残留量高灵敏检测的硅纳 米线生物传感器。准确说是一种以硅纳米线为沟道的场效应管生物传感器，用于有机磷农 药和氨基甲酸酯类农药的检测。
背景技术：
有机磷农药和氨基甲酸酯类农药具有杀灭昆虫的广谱性，并且价格低廉，广泛应 用于农业和其他领域，对抑制农作物病虫害发生起到了重要作用。但是随着这类农药的长 期广泛使用，人们开始关注农药残留对人体及生态环境的潜在危害，由农药而引发的健康 损害、生态恶化、食品污染等事件频频发生。另一方面农药残留量也成为国际农产品贸易 中重要的限制性指标之一，常常成为发达国家对发展中国家实行农产品贸易保护措施的手 段。因此开发一种快速、准确、高灵敏的检测方法实现对农药残留量分析检测显得尤为重 要。目前有机磷农药和氨基甲酸酯类农药的检测，比较标准的方法就是气相色谱和 液相色谱两类方法，尤其是气相色谱一质谱联用或者液相色谱一质谱联用，可以同时检测 多种有机磷和氨基甲酸酯类农药成分，很多农药的检测限已经达到了 10一9数量级，但是这 种方法依赖昂贵的检测设备，需要有专业的技术人员，检测费用也很昂贵，只能在专业的 实验室完成，无法在现场广泛推广使用。酶生物传感器是一种以酶作为生物敏感元件，利用光、电等信号反映酶与被检测 物质(底物)相互作用的新型传感器。由于酶具有高度的专一性和高效性，酶生物传感器在 分析检测中具有很强的特异性和高灵敏性。在有机磷农药和氨基甲酸酯类农药检测中，乙 酰胆碱酯酶是生物传感器中研究最为广泛的一类酶试剂。乙酰胆碱酯酶的天然底物是乙酰 胆碱，有机磷农药和氨基甲酸酯类农药与乙酰胆碱具有竞争关系，当有机磷农药、氨基甲酸 酯类农药与乙酰胆碱酯酶结合后，形成了结构更加稳定的酶复合物，进而抑制了乙酰胆碱 酯酶分解乙酰胆碱的能力，乙酰胆碱酯酶受有机磷农药和氨基甲酸酯类农药抑制效率与其 浓度之间存在一定的线性关系，由此可以实现对上述两种农药的检测。丁酰胆碱酯酶和乙 酰胆碱酯酶类似，所不同的是其天然底物是丁酰胆碱，酶促反应的产物是丁酸和胆碱。根据 有机磷农药和氨基甲酸酯类农药对丁酰胆碱酯酶的抑制情况也可以实现对这两类农药的 检测。另外目前研究的多种农药残留量检测用的生物传感器检测极限还无法满足要求， 检测限最好的能达到10—6数量级，而在传统的实验室检测极限甚至可以达到10—9数量级， 随着人们对环境检测灵敏度要求越来越高，如何开发灵敏度更高的生物传感器就具有重要
眉、O以硅纳米线为沟道的场效应管纳米生物传感器是一种新型的生物传感器，由于硅 纳米线具有极大的比表面积，沟道内载流子分布情况对沟道表面电荷分布非常敏感，因此 可实现超灵敏的快速检测。另外由于硅纳米线沟道场效应管是基于大规模集成电路工艺，
3可以大规模批量生产，从而降低了这种生物传感器的的生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种检测灵敏度高、使用方便的生物传感器，用于有机磷 农药和氨基甲酸酯类农药残留量检测。本发明提出的生物传感器，是以半导体硅纳米线为沟道的具有背栅结构的场效应 管(FET)为转换器(transducer)，以乙酰胆碱酯酶或者丁酰胆碱酯酶为生物敏感元件，实 现对有机磷等农药高灵敏检测。本发明的基本原理如下
通过自上而下的半导体工艺技术，在绝缘体上硅(SOI，Si 1 icon-on-insulator )上制作 硅纳米线(线径一般为几十到几百纳米)，并且这种硅纳米线由离子注入方法掺杂III族或 者V族元素的离子，形成具有半导体功能的纳米线；以此硅纳米线为沟道制作成具有背栅 结构的场效应管FET。然后对此硅纳米线沟道表面进行化学修饰，连接上乙酰胆碱酯酶或者 丁酰胆碱酯酶。在进行生物传感检测时，在乙酰胆碱酯酶作用下样品中含有的乙酰胆碱会被水 解，水解产生乙酸，酸性物质导致沟道表面的PH值发生改变，沟道表面修饰有伯胺，PH值 的改变沟道表面电荷分布，从而进一步影响着场效应管沟道(即硅纳米线)中载流子分布， 改变纳米场效应管的电学特征，这种电学特征的改变和PH有一定的相关性；而当检测样品 中含有有机磷农药和氨基甲酸酯酶时，乙酰胆碱酯酶受到抑制，抑制乙酸的产生，根据抑制 效率检测有机磷农药和氨基甲酸酯类的农药含量。丁酰胆碱酯酶和乙酰胆碱酯酶类似，不 同之处在于，其底物是丁酰胆碱，水解产物是丁酸和胆碱，而丁酸也会改变沟道表面电荷分 布，从而改变纳米沟道场效应管的电学特性。本发明的生物传感器的制作方法，包括如下步骤
(一)制作以半导体硅纳米线为沟道的FET；
(二)制作硅表面PDMS储样池；
(三)对FET的硅纳米线沟道进行表面活化修饰；
(四)连接乙酰胆碱酯酶或丁酰胆碱酯酶。上述方法中，步骤(一)包括如下具体内容
1、硅表面清洗以(100)绝缘体上硅(SOI)的晶片为硅纳米生物传感器的衬底，该晶片 含50nm的本征硅和150nm的氧化硅埋层，清洗硅表面以去除表面附着的金属离子和有机 物；
2、硅纳米线刻蚀利用电子束光刻技术和干蚀法在硅衬底表面制作出硅纳米线，该硅 纳米线宽度可为几十到几百纳米宽，长度可为几百纳米到几微米；
3、离子注入在准备制作栅极和源极的区域通过离子注入方法注入As离子，在硅衬底 背面注入硼离子，并通过快速热退火(RTA，rapid thermal annealing)处理技术激活载流 子；
4、接触点的刻蚀将含铝-硅-铜合金通过离子溅射方法沉积在在硅表面，并通过光刻 和湿蚀法在源极和漏极形成区域，制作出接触点；
5、硅纳米线的钝化处理及敏感面的活化利用PECVD(plasma-enhanced chemical
4vapor deposition)技术在硅纳米线沉积上氧化硅和氮化硅起到钝化硅纳米线作用，然后 在需要传感检测区域通过等离子刻蚀和氧化物刻蚀溶液，将钝化层腐蚀掉，将敏感面暴露 出来，用于对生物分子的探测。步骤(二)包括如下具体内容用光刻方法制备出与硅纳米线表面配合的模具，将 PDMS的预聚体倒入模具中，放置20-28小时，使其聚合完毕，然后转移到硅纳米线场效应 管表面，使得储样池完全包含硅纳米线活化部分，然后键合封闭。步骤(三)主要是对硅纳米线表面进行活化修饰，在硅纳米线表面产生伯胺。步骤(四)主要是对表面活化修饰后的硅纳米线通过戊二醛试剂，在温和还原剂的 还原作用下，将乙酰胆碱酯酶或者丁酰胆碱酯酶和硅表面的部分氨基稳定地连接起来。本发明具有突出的实质性特点和显著的技术进步，具体表现在
本项目采用硅纳米线为沟道的场效应管作为转换器(transducer)，与块状尺寸的场效 应管相比，硅纳米线沟道具有很大比表面积，对沟道表面电荷密度变化更加灵敏，本传感 器基于硅纳米线为沟道的场效应管，其制作工艺与大规模集成电路技术兼容，开发研制成 功后可以大批量生产，大大降低单个传感器制造成本；采用大规模集成电路工艺技术，可 以在同一个硅衬底上作出若干完全相同的硅纳米线沟道，沟道修饰上乙酰胆碱酯酶或者丁 酰胆碱酯酶后，其中一部分沟道被农药(有机磷农药和氨基甲酸酯类农药)作用，另外一部 分未被农药作用，这样就可以在完全一致的环境条件下检测乙酰胆碱酯酶或者丁酰胆碱酯 酶的抑制率，从而一次性检测出上述两种农药的浓度。
图1基于硅纳米线场效应管用于有机磷和氨基甲酸酯类农药检测原理图。图2用于有机磷农药和氨基甲酸酯类农药检测的硅纳米线场效应管结构示意图。图3硅纳米线表面连接乙酰胆碱酯酶(或者丁酰胆碱酯酶)方法(硅纳米线表面覆 盖氧化硅)。图4硅纳米线表面连接乙酰胆碱酯酶(或者丁酰胆碱酯酶)方法(硅纳米线表面无 氧化硅)。图中标号1.储样池，2.硅纳米线，3.源极，4.钝化层，5.氧化硅埋层，6.栅极 (背栅)，7.漏极，8.乙酰胆碱酯酶或者丁酰胆碱酯酶，9. 二氧化硅。
具体实施例方式以下详细介绍硅纳米线为基础的纳米生物传感器制作过程。以绝缘体上氧化硅埋 层5为衬底，用40-keV的电子束刻蚀法和干蚀法，在硅衬底材料上刻蚀出几十到几百纳米 的硅纳米线2，然后在硅衬底表面沉积一层薄的氧化硅膜，在这层氧化硅表面旋涂上电子束 光刻胶，然后在源极3和漏极7预留处用光刻工艺技术去掉光刻胶，用离子束注入法参杂 上As离子，并在氮气氛围下经过快速热退火激活载流子，从而完成对源极3和漏极7的重 参杂。硅衬底背面掺杂硼元素，形成栅极6，然后在源极3、漏极7和栅极6的区域通过离子 溅射技术沉积合金，形成接触点(contact pad)。然后利用等离子增强化学气相沉积技术 (PECVD)在硅纳米线2表面沉积上氧化硅和氮化硅，形成钝化层4，起到钝化作用，再通过等 离子刻蚀技术及化学蚀刻法去掉部分硅纳米线表面的钝化层，暴露出部分用作敏感面，进行生物分子修饰。在硅纳米线2表面自然氧化形成一层薄的氧化硅，可以通过化学方法去 除掉该层二氧化硅，针对有无二氧化硅，分子修饰方法会有所差异。通过以上方法可以获得 纳米沟道场效应管阵列。微流沟导的制作。以光刻方法制作出合适的模具，然后加入PDMS预聚体，放置 20-28小时，聚合完毕，然后移至晶片表面，对准键合形成储样池1，储样池1大小和固定位 置恰好保证硅纳米线暴露出来的敏感面完全覆盖住，使得检测样品完全限制在储样池1内 不泄漏。储样池1留有样品出口和入口，以便检测样品进出。针对硅纳米线表面有二氧化硅的情形，其表面修饰过程主要通过APTES和戊二醛 与硅表面二氧化硅反应，形成有机硅分子链，然后再与乙酰胆碱酯酶(或者丁酰胆碱酯酶) 连接，从而将乙酰胆碱酯酶(或者丁酰胆碱酯酶)固定到硅纳米线表面。具体步骤如下先用 乙醇和丙酮清洗硅纳米线FET表面，然后通入2% APTES溶液1 2小时，乙醇清洗再引入 含2. 5%的戊二醛和4mM的NaBH3CN溶液0. 8—1. 2小时，然后用pH为7 — 7. 6的PBS (磷 酸缓冲液)清洗，表面形成有机硅分子链，然后引入乙酰胆碱酯酶(或者丁酰胆碱酯酶)溶液 1 2小时，用PBS清洗完毕后再通入NaBH3CN溶液中0. 8—1. 2小时，用PBS清洗，从而将 乙酰胆碱酯酶(或者丁酰胆碱酯酶)固定到硅纳米线2表面。对于没有覆盖二氧化硅的硅纳米线表面修饰，先清除硅纳米线表面二氧化硅， 过程如下先分别用1 %的HF和NH4F稀溶液腐蚀掉硅纳米线表面的二氧化硅，然后加入 10-N-叔丁氧羰基氨基-1-癸烯溶液在氮气氛围下，用紫外光固化，再通入含25%三氟乙酸 的二氯甲烷溶液，并用稀氨水溶液中浸泡5 10分钟，用乙醇清洗，即可使得硅纳米线表面 直接覆盖上伯胺基团。然后用含2. 5%的戊二醛和4mM的NaBH3CN溶液处理0.8—1.2小 时，然后用PH为7— 7. 6的PBS (磷酸缓冲液)清洗清洗，形成了有机硅分子链，然后向储 样池引入乙酰胆碱酯酶(或者丁酰胆碱酯酶)溶液中1 2小时，用PBS清洗完毕后再加入 NaBH3CN溶液0. 8—1. 2小时，用PBS清洗，从而将乙酰胆碱酯酶(或者丁酰胆碱酯酶)分子 8连接到硅纳米线2表面。
权利要求
一种用于农药残留量检测的硅纳米线生物传感器，其特征在于以硅纳米线为沟道的具有背栅结构的场效应管FET为转换器，以乙酰胆碱酯酶或者丁酰胆碱酯酶为生物敏感元件，实现对农药的高灵敏检测；这里的农药是指有机磷农药和氨基甲酸酯类农药。
2.一种如权利要求1所述的用于农药残留量检测的硅纳米线生物传感器的制备方法， 其特征在于，具体步骤如下(一)制作以半导体硅纳米线为沟道的FET；(二)制作硅表面PDMS储样池；(三)对FET的硅纳米线沟道进行表面活化修饰；(四)连接乙酰胆碱酯酶或者丁酰胆碱酯酶。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤(一)包括如下具体内容(1)、硅表面清洗以(100)绝缘体上硅的晶片为硅纳米生物传感器的衬底，清洗硅表 面以去除表面附着的金属离子和有机物；(2)、硅纳米线刻蚀利用电子束光刻和干蚀法在硅衬底表面制作出硅纳米线；(3)、离子注入在准备制作栅极和源极的区域，通过离子注入方法注入As离子，在硅 衬底背面注入硼离子，并通过快速热退火处理技术激活载流子；(4 )、接触点的刻蚀将含铝-硅-铜合金通过离子溅射方法沉积在硅表面，并通过光刻 和湿蚀法在源极和漏极形成区域，制作出接触点；(5)、硅纳米线的钝化处理及敏感面的活化利用PECV技术在硅纳米线沉积上氧化硅 和氮化硅，钝化硅纳米线，然后在需要传感检测区域通过等离子刻蚀和氧化物刻蚀溶液，将 钝化层腐蚀掉，将敏感面暴露出来，用于对生物分子的探测。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤(二)包括如下具体内容用光刻方法制备出与硅纳米线表面配合的模具，将PDMS的预聚体倒入模具中，放置 20-28小时，使其聚合完毕；然后转移到硅纳米线场效应管表面，使得储样池完全包含硅 纳米线活化部分，然后键合封闭。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤(三)是对硅纳米线表面进行活化 修饰，在硅纳米线表面产生伯胺。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤(四)是对表面活化修饰后的硅 纳米线通过戊二醛试剂，在温和还原剂的还原作用下，将乙酰胆碱酯酶或者丁酰胆碱酯酶 和硅表面的部分氨基稳定地连接起来。
全文摘要
本发明属于分析检测技术领域，具体涉及一种用于农药残留量检测的硅纳米线生物传感器。该传感器以硅纳米线为沟道的具有背栅结构的场效应管FET为转换器，以乙酰胆碱酯酶(或者丁酰胆碱酯酶)为生物敏感元件，实现对农药的高灵敏检测；这里的农药是指有机磷农药和氨基甲酸酯类农药。由于硅纳米线具有比较大的比表面积，对沟道表面电荷的变化响应非常灵敏，因此这种传感器可以对有机磷农药和氨基甲酸酯类农药实行高灵敏检测。另外这种硅纳米线场效应管制备是采用大规模集成电路工艺的，可以大规模批量生产，降低单个传感器的成本。
文档编号H01L29/772GK101893596SQ20101022847
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月16日 优先权日2010年7月16日
发明者仇志军, 刘冉, 郭红斌, 陈国平 申请人:复旦大学