基于二硫化钨场效应晶体管的核酸检测传感器及其在新冠病毒检测中的应用

本发明属于生物传感，涉及一种基于ws2场效应晶体管的核酸检测传感器及其在新冠病毒检测中的应用。

背景技术：

1、作为新冠防疫工作的关键，对不同sars-cov-2变异毒株的核酸检测，在检测时间、检测极限、准确度等方面都提出了更严格的要求。

2、目前国内外所大范围采用的有核酸检测法：实时荧光定量pcr技术和rna捕获探针法；但当前所采用的核酸检测法检测极限高，检测时间长，最少需要1h，不能满足大批量样品的快速检测。此前，以褶皱石墨烯作为沟道层的fet核酸检测传感器报道较多，其检测极限达到了0.03copy/μl，接近于pm量级，但对临床样本的总检测时间仍需1h(acssens.2021,6,4461-4470；acs 2021 143(41),17004-17014；adv.mater.technol.2021,6,2100712)。而基于过渡金属硫族化物(tmdc)的场效应晶体管(fet)的生物传感设备可以使用少量分析物进行高灵敏度短时测试，具有耗时短，检测极限低，准确度高的特点(acsnano 2020,14,5135-5142)。

3、原子层级过渡金属硫族化物(tmdc)如mos2、ws2等凭借其优异的电导能力，突出的磁学性能和能带可控的优点越来越被电子集成产业所重视。同时凭借其较大的比表面积也被广泛应用于各种传感器件上，通过对以其为基础制作的场效应晶体管功能化，可用于检测co2、so2等气体和蛋白质核酸等物质。

4、二硫化钨(ws2)是一种常见的过渡金属硫族化物，二维ws2的结构类似于“三明治”构型，两个硫原子层中间夹杂着一层钨金属层。层内为六边形排列，有s-w-s原子之间通过共价键结合而成，层间有较弱的范德华相互作用(micromachines.2021,12,137)。目前层状ws2材料主流的制备方法为机械剥离和化学气相沉积(cvd)(adv.funct.mater.2019,29,1809261)。块状ws2为间接带隙半导体，带隙宽度为1.3ev，单层ws2为直接带隙半导体，带隙宽度为2.1ev。理想条件下本征迁移率高达50.5cm2v-1s-1(室温)，开关比可达到107，凭借其优异的电学性能，二维ws2材料在集成电路，柔性电子学等领域受到越来越多的关注(acsapplied materials&interfaces.2018,10(26):22435-22444；nature nanotechnology,2013,8(2):100-103.)。但是单层二维材料基器件的制造工艺的复杂性限制了它们的使用。此外，少层ws2二维材料的研究值得进行。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于ws2场效应晶体管的核酸检测传感器及其在新冠病毒检测中的应用。本发明提供的传感器稳定性良好、灵敏度高，且相比传统pcr检测所需时间大大缩短。

2、实现本发明目的的技术方案如下：

3、基于ws2场效应晶体管的核酸检测传感器的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将块体ws2材料进行机械剥离，得到层状ws2材料；

5、(2)将层状ws2材料浸泡在丙酮中去胶，利用光镜挑选出厚度为4～8nm的ws2材料；

6、(3)在步骤(2)得到的样品表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯胶(pmma)并烘干，利用电子束曝光技术(ebl)在pmma层上构建电极图案；

7、(4)在步骤(3)得到的样品表面通过电子束蒸镀(ebe)先后蒸镀cr、au，丙酮去胶后得到cr/au源电极和漏电极；

8、(5)在步骤(4)得到的样品表面通过原子层沉积技术(ald)，沉积30个循环的氧化铝钝化层；

9、(6)利用低镀率电子束蒸镀在步骤(5)得到的样品表面蒸镀均匀分布的au纳米颗粒作为探针结合位点；

10、(7)在步骤(6)得到的样品表面旋涂pmma并烘干，利用电子束曝光技术去除沟道处的pmma，曝出修饰窗口；

11、(8)将步骤(7)所得到的器件整体放置于含有dna探针的磷酸盐缓冲液(pbs)中孵育，最后得到基于ws2场效应晶体管的核酸检测传感器。

12、优选地，步骤(1)中，具体方法为：将块体ws2材料均匀粘贴于机械剥离母带上，对折母带三次进行减薄，将子带覆盖于母带上，贴合15分钟，将ws2减薄并转移到子带上，将300nm sio2厚度的硅衬底超声清洗后紧贴在子带上，静置36小时后取下。

13、优选地，步骤(2)中，浸泡时间为1～2h。

14、本发明步骤(2)中，筛选得到的ws2材料厚度根据待检测的核酸序列以及磷酸盐缓冲液(pbs)的阳离子浓度进行适应调节。在本发明具体实施方式中，筛选得到的ws2材料厚度为4～8nm，与传感的德拜长度相关。

15、优选地，步骤(3)或(7)中，pmma旋涂参数为先600rpm旋涂10s，再2000rpm旋涂50s；烘干温度为150℃，烘干时间为5min。

16、优选地，步骤(4)中，ebe的cr蒸镀速率为au为cr电极厚度为3nm，au电极厚度为60nm。

17、优选地，步骤(5)中，ald沉积氧化铝的参数为：工艺压力0.2torr，底座温度200℃；单个循环工艺流程：dose三甲基铝(tma)0.025s；清扫30s；dose去离子水0.015s；清扫30s。

18、优选地，步骤(6)中，ebe的au蒸镀速率为设定厚度为0.4nm。

19、优选地，步骤(7)中，pbs的k+离子浓度为0.01mol/l，孵育时间为36小时以上。

20、进一步地，本发明提供上述核酸检测传感器在新冠病毒检测中的应用，具体应用方法为：将上述核酸检测传感器加热至40℃后，滴加目标物溶液，测得源漏电流变化(δids)，根据换算公式换算得到校准响应度(δvcal)，最后根据校准响应度与浓度的线性关系，计算得到目标物溶液中新冠病毒的浓度。

21、优选地，测试范围为栅极电压(vgs)：0v～0.5v，且δids的取值是vgs＝0.5v时获得。

22、本发明通过机械剥离的方法得到层状的二维ws2材料，作为高灵敏fet传感器的沟道材料；所述传感器构建包括以下步骤：机械剥离出层状二维材料ws2；旋涂pmma胶，利用电子束曝光(ebl)技术在pmma层上构建电极图案；通过电子束蒸镀(ebe)将cr、au先后蒸镀至样品，丙酮去胶后得到高质量的cr/au源漏电极；再次用ald沉积30个循环的al2o3钝化层；通过低镀率方法利用ebe，在fet沟道上方得到均匀分布的au纳米颗粒；旋涂pmma胶覆盖电极，利用ebl去除沟道处的pmma胶；将器件整体放置于含有探针的磷酸缓冲液(pbs)中，完成孵育。

23、本发明制得的ws2 fet传感器，ws2的厚度为4～8nm，表面金颗粒高度约为1nm且均匀分布不连续。fet开关比可达103，传感器核酸检测极限低于10-12mol/l。本发明提供的构建方法可获得电学性能良好、稳定性理想的高灵敏ws2 fet传感器，可应用于新冠病毒的超低浓度核酸检测。