具有纳米线的生物传感器及其制造方法

专利名称：具有纳米线的生物传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及使用纳米线的生物传感器及其制造方法；更具体地涉及通 过使用具有极好电特性的纳米线和通过在置于纳米线与其它纳米线之间 的基底上固定待检测目标物质的受体而能够增加目标物质的检测灵敏度 的生物传感器及其制造方法。
背景技术：
由于纳米尺寸材料极好的电学、光学和机喊性能，所以它们近来成为 关注的焦点。迄今为止关于纳米结构进^f于的研究显示纳米结构能够作为用 于基于新现象如量子尺寸效应的光学器件的先进材料。特别地，在纳米线 的情况下，其尤其是作为新型光学器件材料以及单电子隧道器件受到关 注。
作为纳米线典型实例的碳纳米管处于管状形式并且具有 一个碳原子共 价键结合于六方形蜂巢状结构中的其它碳原子的结构。碳纳米管的直径非 常小直至纳米尺度。尤其是，碳纳米管被称为具有优异的机械性能、电学 选择性、场发射或高效储氢的完美材料。
近来，已经通过使用纳米线诸如碳纳米管开发高效生物传感器。将纳 米线如碳纳米管用于生物传感器的原因是其已知是生物相容的、不需要 标记、和可以在水相中产生反应而没有蛋白质的变形。即，在常规的生物 分子检测方法中已经使用荧光材料、同位素等检测目标试剂；然而，诸如 荧光物质或同位素等的材料对人体非常有害，并且检测过程也是复杂的。 如果在检测时使用纳米线的电特性，那么其具有对健康无害并且可以精确 检测反应结果的优势。
然而，在使用现有纳米线或碳纳米管的常规生物传感器中，存在电阻 增加、电特性降低和检测灵敏度也因此降低的问题，特别是在将可以直接 在纳米线或碳纳米管上反应的物质结合到生物材料方面存在问题。此外， 存在以下问题在纳米线的表面上^t聚合物层或通过连接分子在纳米线的表面上直接固定生物材料时，每种纳米线的电特性都发生变化。
因此，增加了对于电特性不降低的具有纳米线的极好并方便的电特性 的高灵敏度生物传感器的需要
发明内容
技术问题
本发明的一个实施方案涉及提供生物传感器，其可用于特定蛋白质扫 描、癌症诊断、血糖测量、有害病毒扫描和环境有毒物质扫描等，并且其 具有极好的电学特性和高的检测灵^t度。
本发明的其它目的和优点可以通过以下描述来理解，并且通过参考本
发明的实施方案而变得明显。而且，对本领域技术人员明显的是本发明 的目的和优点可以通过要求保护的装置/方法及其組合来实现。
技术方案
才艮据本发明的一个方面，提供生物传感器，包括固体基底；至少一 个信号转换器，所述信号转换器布置在基质中并且具有附着有电极的纳米 线；和设置在所述纳米线附近的至少一个信号感测部，其中待结合于目标 物质的受体连接至所述信号传感部。
才艮据本发明的一个方面，提供制造生物传感器的方法，包括以下步骤 在固体基底的表面上结合纳米线；在每个纳米线的两端形成电极之后，用 聚合物涂敷电极；在所述纳米线之间在固体基底的表面上连接官能团；和 通过所述官能团固定结合目标物质的受体。
此夕卜，本发明提^^吏用生物传感器检测连接至受体的目标物质的方法。
此外，本发明提供包括至少一个生物传感器的纳米平台。
在本发明中，"纳米线"包括中空管型纳米管、内部填充的纳米线和纳 米棒。
5有益效果
根据本发明的生物传感器可以制造为具有纳米线选择性地布置在基质 中的固体基底上的布置，因此可以同时检测许多材料。特别地，由于在本 发明中可以防止纳米线的电特性的劣化，所以通过少量的目标物质就非常 灵敏地检测所述目标物质。此外，由于根据本发明的纳米线可以组装为具 有纳米线选择性地布置在基质中的固体基底上的布置，所以它们可以用作 可以通过各种方法同时检测许多材料的传感器阵列。该生物传感器可以有 效地用于癌症诊断、血糖测量、有害病毒扫描和环境有毒物质扫描等。


图13j兌明才艮据本发明的生物传感器制造方法的示意图。
图2是说明才艮据本发明的生物传感器的结构的示意图。
图3是根据本发明一个实施方案的在基底表面上固定生物素的生物传 感器的原子力显^b镜照片。
图4是说明对常规生物传感器施加100nM链霉抗生物素蛋白之后的电 流特性的图。
图5是说明对根据本发明的固定生物素的生物传感器施加lnM链霉抗 生物素蛋白之后的电流特性的图。
图6是通过才艮据本发明的生物传感器制造的纳米平台。
本发明的最优模式
通过参考附图的实施方案的以下描述，本发明的优点、特征和方面将 会变得明显，其如下所述。
使用常规纳米线的生物传感器具有在纳米线上直接固定能够催化或结 合目标物质的受体的结构。然而，根据本发明的生物传感器的特征在于在 纳米线附近即在一个纳米线与另一个纳米线之间的基底表面上固定受体。
根据本发明的生物传感器包括固体基底、布置在基质中并且具有附着 有电极的纳米线的至少一个信号转换器、和存在于所述纳米线附近并且连 接有待结合至目标物质的受体的至少一个信号感测部。上述固体基底优选是具有绝缘表面的基底诸如硅或玻璃基底，并且在
本发明中所述硅基底通常包括但不限于二氧化硅膜(Si02 )。
根据本发明的生物传感器包括设置在固体基底表面上的信号感测部和 信号转换器。信号感测部是通过具有检测目标物质能力的受体或生化物质 的反应引起物理或化学变化的部分，信号转换器是通过使用具有电极等的 物理或化学转换装置对来自信号感测部的信号进行定量分析的部分。
根据本发明的生物传感器的信号转换器由布置在基质中固体基底表面 上的纳米线和附着于所述纳米线两端的电极制成。将信号转换器连接至外
部供^(t号的电路(signal supplying circuit)和感测电路的电极用作4吏得 能够观测电特性的接触接头。在信号感测部中引起的物理和化学反应导致 信号转换器的电特性改变，并且在外部通过粘合性接头能够感测该改变。 每个电极由导电金属和粘合性金属的双结构构成，并且电极可以通过设备 诸如热蒸发器、溅散器或电子束蒸发器等连续沉积。粘合性金属首先与纳 米线接触，并且当粘合性金属对表面具有强粘合力时，导电金属可以附着 至粘合性金属。优选将与纳米线具有极好电接触特性并且与表面具有强粘 合力(为了物理坚固性)的金属(诸如钛或铬)用作粘合性金属。导电金 属可使用高电导率金属而没有任何限制，在本发明的优选实施方案中尤其 是Au。
此外，根据本发明的生物传感器的信号感测部^:置在包括纳米线和电 极的信号转换器附近，能够结合于目标物质的受体附着于信号感测部。
受体通过官能团连接于固体基底的表面，受体是但不限于选自酶底物、 配体、氨基酸、肽、蛋白质、核酸、脂质和糖类中的至少一种。
连接受体至固体基底的官能团是但不限于选自胺基、氟基和石克醇基中 的至少一种。
待检测的目标物质是但不限于选自蛋白质、核酸、寡糖、氨基酸、糖
类、溶解气、硫氧化物(SOx)气体、氮氧化物(NOx)气体、残余农用化 学品、重金属和环境有毒材料中的至少一种。
沉积在4艮据本发明的生物传感器的信号转换器上的纳米线可以是但不 限于选自碳纳米管、珪纳米线和氧化锌纳米线与氧化钒纳米线中的至少一 种。
更具体地，以下将参考图2描述根据本发明的生物传感器。首先，在固体基底107上存在一个或更多个信号转换器102，信号转 换器102包括碳纳米管104和设置在碳纳米管104两端的电极105。电极 105涂敷有聚合物106。信号转换器102布置在基质中的固体表面上，信号 感测部101由没有形成碳纳米管104的部分即信号转换器102之间的部分 制成。受体103通过官能团连接到信号转换器102。
同时，本发明提供制造生物传感器的方法。用于制造生物传感器的方 法包括以下步骤在固体基底的表面上结合纳米线；在每个纳米线的两端 形成电极之后用聚合物涂敷电极；在纳米线之间的固体基底的表面上连接 官能团；和通过所述官能团固定结合目标物质的受体。
为制造根据本发明的生物传感器，首先，在固体基底诸如二氧化硅膜 或玻璃基底的表面上结合纳米线。基底表面上的纳米线的结合可以通过本 领域技术人员所熟知的一般方法实施。特别地，在根据本发明优选实施方 案的结合纳米线的方法中，通过滑动分子层使固体基底的表面图案化，然 后将待附着的纳米结构材料从所述滑动分子层滑动到固体基底的表面上， 使得纳米线直接附着在固体基底的表面上。
然后，在每个纳米线的两端沉积电极。电极的沉积通过通常用于制造 半导体器件电极的热蒸发器、电子束蒸发器或賊散器进行。用聚合物涂敷 沉积的电极以降低漏电流。在形成由纳米线和电极制成的信号传感器之 后，在固体基底的表面上并且在一个纳米线与相邻纳米线之间连接官能 团，将能够结合到目标物质的受体固定在所连接的官能团上。
和常规生物传感器不同，根据本发明的生物传感器的特征在于将官 能团选择性连接在其上未结合纳米线的固体基底的表面上。在本发明中， 为了在其上没有结合纳米线的固体基底的表面上选择性连接官能团，使用 具有硅烷基团的化合物。尤其是，在本发明中使用3-氨基丙基三乙fUJ^ 烷(APTES)。如果硅烷基团中的乙氧基化基团与二氧化珪膜或玻璃表面 上的-OH相遇，则乙？U^化的基团^Ji:烷基团脱离并且以强的共价键与硅 表面结合。在清洗过程中，没有以共价键结合的分子全部洗去。因此，官 能团连接至没有选择性地结合纳米线的表面。具体地，优选将其上结合纳 米线的基底浸于具有硅烷基团的化合物中5 ~ 20分钟。如果将基底浸渍了 上述时间，那么官能团可以更具有选择性地和更有效地连接至其上没有结 合纳米线的表面。
8通常，纳米线分类为不同种类的表面化学结构，并且这些化学结构彼 此完全不同。例如，碳纳米管由六边形的碳晶格结构构成，硅纳米线由硅 晶体结构构成。此外，每个纳米线诸如氧化锌纳米线、氧化钒纳米线等具
有不同的表面化学性质。在固体表面上结合不同种类的纳米线之后，当固 定能够另外结合于目标物质的受体时，必须对每种纳米线应用不周的化学 方法，并且该方法必须满足复杂的条件。即，在碳纳米管的情况下使用受 体固定技术，在该受体固定技术中通过基于苯基或烷基与碳纳米管之间的 疏水性相互作用的非共价键或通过共价键进攻碳纳米管表面上的羧基来
固定受体。在硅纳米线的情况下，使用硅烷基团。这具有如下问题在以 大量纳米线产品形式的结合电路处理之后，需要花费大量时间固定受体， 并且该过程非常复杂。此外， 一种具体纳米线的方法对于其它纳米线可能 是非常有害的。然而，在本发明中，能够与待检测的目标物质结合的受体 不直接粘附至纳米线，而是固定在纳米线的附近，使得能够与纳米线的种 类无关地固定受体。结果，本发明在时间和资源方面具有成本有效的优势。
另一方面，在本发明中提供将至少一个如上所述的生物传感器附着至 基底的纳米平台。
以下，用一个实施方案示例性"^兌明本发明。
然而，以下的实施方案示例性说明本发明，但是本发明不限于以下实 施方案。制造用于检测链霉抗生物素蛋白的生物传感器
通过使用光刻工艺在二氧化硅基底表面上形成光刻胶图案。此后，将 其浸于十八烷基三氯珪烷(以下称为OTS) (Sigma)和乙醇以1:500 (体 积比)的混合比例混合的溶液中，在基底表面上形成OTS分子层。
将其上形成分子单层的基底浸在丙酮溶液中，移除光刻胶图案。随后， 将基底浸在邻二氯苯的碳纳米管溶液中，碳纳米管自组装在基底表面上。
在基底的碳纳米管上沉积钛薄膜然后沉积Au薄膜，通过剥离方法移 除电极区域之外的金属。然后用聚合物如SU-8涂覆电极。
然后，将其上结合有碳纳米管的基底浸在3-氨基丙基三乙氧基硅烷 (APTES ) (sigma )溶液中5分钟，将胺基选择性连接到a底上的碳纳 米管。最后通过将连接有胺基的基底浸于生物素溶液中，和通过将基底上的 胺基连接至作为受体的生物素，制造用于检测链霉抗生物素蛋白的生物传 感器。
生物传感器的制造方法示于图1中，最后制造的生物传感器的结构示
于图2中。检测链霉抗生物素蛋白
进行在实施方案1中制造的用于检测链霉抗生物素蛋白的生物传感器 的性能试验。
在将緩冲溶液(PBS pH 7.4 )滴至未固定生物素的常规生物传感器(对 照组)和根据本发明的优选实施方案1的固定生物素的生物传感器之后， 对置于基底的每个电极两端的电极施加O.IV的电压，并且随时间对电流取 样。注入链霉抗生物素蛋白和没有注入链霉抗生物素蛋白的电流变化的结 果分别示于图4和5中。
参考图4，即使施加100nM的链霉抗生物素蛋白至没有固定生物素的 常规生物传感器(对照组)并且保持充分的时间，该生物传感器也具有恒 定的电;危。
然而，参考图5,即使对根据本发明固定生物素的生物传感器施加仅 仅lnM链霉抗生物素蛋白作为待检测的目标物质，该生物传感器在250 秒钟之后也具有急剧的电流变化。即，目标物质可以用小的量有效地检测。 因此，本发明生物传感器的高灵敏度可以在图5中得以证实。制造用于生物传感器的纳米平台
根据本发明，通过使用在上述实施方案1中制造的生物传感器制造纳 米平台(参考图6)。
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权利要求
1. 一种生物传感器，包括固体基底；布置在基质中并且具有附着有电极的纳米线的至少一个信号转换器；和设置在所述纳米线附近的至少一个信号感测部，其中待结合至目标物质的受体附着至所述信号感测部。
2. 根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述固体基底是硅基底或玻 璃基底。
3. 根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述受体通过官能团连接至 所述固体基底的表面，并且其中所述受体是选自酶底物、配体、氨基酸、 肽、蛋白质、核酸、脂质和糖类中的至少一种。
4. 根据权利要求3所述的生物传感器，其中所述官能团是选自胺基、羧 基和石克醇基中的至少 一种。
5. 根据权利要求l所述的生物传感器，其中所述目标物质是选自蛋白质、 核酸、寡糖、氨基酸、糖类、溶解气、硫氧化物(SOx)气体、氮氧化物(NOx)气体、残余农用化学品、重金属和环境有毒物质中的至少一种。
6. 根据权利要求1所述的生物传感器，其中所述纳米线是选自碳纳米管、 硅纳米线和氧化锌納米线以及氧化钒纳米线中的至少一种。
7. —种制造生物传感器的方法，包括以下步骤a) 将纳米线结合在固体基底的表面上；b) 在所述纳米线的每一个的两端形成电极之后，用聚合物涂敷所述 电极；c) 在所述纳米线之间在所述固体基底的表面上连接官能团；和d) 通过所述官能团固定催化目标物质或结合目标物质的受体。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中所述固体基底是a底或玻璃基底。
9. 根据权利要求7所述的方法，其中所述受体通过官能团连接到所述固 体基底的表面，并且其中所述受体是选自酶底物、配体、氨基酸、肽、蛋 白质、核酸、脂质和糖类中的至少一种。
10. 根据权利要求7所述的方法，其中所述官能团是选自胺基、羧基和硫 醇基中的至少一种。
11. 根据权利要求7所述的方法，其中所述目标物质是选自蛋白质、核酸、 寡糖、氨基酸、糖类、溶解气、硫氧化物(SOx)气体、氮氧化物(NOx) 气体、残余农用化学品、重金属和环境有毒物质中的至少一种。
12. 根据权利要求7所述的方法，其中所述纳米线是选自碳纳米管、硅纳 米线和氧化锌纳米线以及氧化钒纳米线中的至少 一种。
13. 根据权利要求7所述的方法，其中在所述纳米线之间在所述固体基底 的表面上连接官能团的步骤通过在具有硅烷基团的化合物中浸渍所述基 底5 ~ 20分钟来进行。
14. 一种使用根据权利要求1~6中任一项所述的生物传感器检测待结合 至受体的目标物质的方法。
15. —种具有至少一个根据权利要求1~6中任一项所述的生物传感器的 纳米平台。
全文摘要
本发明提供生物传感器及其制造方法，所述生物传感器通过使用具有极好电特性的纳米线和通过在置于纳米线和其它纳米线之间的基底上固定待检测目标物质的受体，能够增加目标物质的检测灵敏度。根据本发明的生物传感器可以制造为具有将纳米线选择性地布置在基质中的固体基底上的布置，因此可以同时检测许多材料。特别地，由于在本发明中可以防止纳米线电特性的劣化，所以通过少量的目标物质即可非常灵敏地检测所述目标物质。
文档编号G01N33/53GK101438156SQ200780016179
公开日2009年5月20日 申请日期2007年4月4日 优先权日2006年4月4日
发明者李东埈, 李炳洋, 洪承焄 申请人:财团法人首尔大学校产学协力财团;美泰克公司