诊断急性心梗的生物传感器及其制备方法与流程

本发明涉及半导体微电子器件以及生物医学领域，特别是涉及一种利用高电子迁移率晶体管(hemt)诊断急性心肌梗死的生物标志物心肌肌钙蛋白的生物传感器及其制备方法。

背景技术：

根据《中国心血管病报告2015》统计，心血管疾病是中国成人死亡的首要原因，占41.1％。最常见的心血管疾病——冠心病的患者在我国就有900万人，而其中最危重类型——急性心梗ami的死亡率高达68.6/10万。随着环境恶化、生活水平提高等，未来十年中国ami发病人数将增加2-3倍。发病2小时以内是心梗患者黄金救治时间，全国约95％的急性心梗患者错过了黄金救治时间。“时间就是心肌，时间就是生命”，因此早期诊断，早期治疗能够大大改善急性心梗患者的远期预后和降低病死率。

通常情况下，心肌肌钙蛋白只存在于心脏中，正常人的血液中无法检测到。急性心梗患者心肌受损时，肌钙蛋白才会释放到血液中，此时通过检测血液中生物标志物心肌肌钙蛋白，就可以判断急性心梗是否发病，从而及时手术疏通血管，降低患者死亡率。目前临床上诊断心肌肌钙蛋白的方法主要是基于光学的生物传感器，例如酶联免疫吸附测定法、化学发光免疫测定法、荧光免疫测定法和比色测定法，它们的优点在于高灵敏，检测下限在10-100pg/ml，但是由于酶标记的反应时间通常都在20分钟以上，很难实现快速检测。另外此类检测方法需要大型设备和专业操作人员。因此，迫切需要研发能够快速检测血清中所含有的微量的上述心肌肌钙蛋白，且可携带和操作简单的仪器设备。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种生物传感器及其制备方法，以解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出了一种诊断急性心梗的生物传感器，其特征在于：

所述生物传感器包括高电子迁移率晶体管、器件隔离层和可特异性识别急性心梗标志物心肌肌钙蛋白的生物分子层，其中所述生物分子层固定于所述高电子迁移率晶体管的栅极上。

其中，所述高电子迁移率晶体管是gaas基高电子迁移率晶体管。

其中，所述高电子迁移率晶体管的栅极通过金薄膜、金纳米粒子、羧基石墨烯、氨基石墨烯或二硫化钼来制备。

其中，所述高电子迁移率晶体管的栅极电压在-1v到1v之间变化。

其中，所述生物传感器还包括用于插入到待检测的含有心肌肌钙蛋白的pbs缓冲液中且接地的参比电极。

其中，所述参比电极为金电极或者银|氯化银电极。

其中，所述可特异性识别急性心梗标志物心肌肌钙蛋白的生物分子层中设置的急性心肌梗死标志物为心肌肌钙蛋白、和肽素、心型脂肪酸结合蛋白h-fabp、缺血修饰白蛋白ima、b型钠尿肽bnp或c反应蛋白crp。

其中，所述高电子迁移率晶体管从下至上依次包括叠置的gaas半绝缘衬底、gaas缓冲层、ingaas沟道层、algaas空间隔离层、si的δ掺杂层、algaas势垒层、alas腐蚀阻断层和高掺杂gaas帽层。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种诊断急性心梗的生物传感器的制造方法，包括以下步骤：

步骤s1、制备一高电子迁移率晶体管，所述高电子迁移率晶体管从下至上依次包括叠置的gaas半绝缘衬底、gaas缓冲层、ingaas沟道层、algaas空间隔离层、si掺杂层、algaas势垒层、高掺杂gaas帽层；

步骤s2、通过光刻腐蚀，将步骤s1制备的器件曝光的区域腐蚀到gaas缓冲层；

步骤s3、在未被腐蚀的高掺杂gaas帽层上制备得到欧姆接触的锗/金/镍/金源、漏电极；

步骤s4、采用负性光刻胶通过光刻图形，在曝光的位置使用柠檬酸系腐蚀液选择性腐蚀栅槽，通过调节腐蚀液浓度控制在室温条件下对于gaas和algaas的选择比大于1000，从而控制algaas势垒层上高掺杂gaas帽层栅槽的形状和深度以及algaas势垒层平整度，最后使用稀盐酸腐蚀掉alas腐蚀阻断层，露出algaas势垒层；通过电子束蒸发于algaas势垒层上生长金薄膜，或者通过溶胶法在algaas势垒层上生长羧基或氨基石墨烯，制作栅极；

步骤s5、如果栅极是au薄膜，则通过使用巯基丙酸或巯基己酸与其反应形成s-au键，然后将器件浸入羧基活化液中反应数小时，在自组装分子层滴加急性心梗标志物抗体溶液进行反应，固定抗体分子，形成用于检测急性心梗的生物分子层；

如果栅极是羧基石墨烯或氨基石墨烯，则直接滴加急性心梗标志物抗体溶液进行反应，固定抗体分子，形成用于检测急性心梗的生物分子层。

其中，步骤s1中在形成所述algaas势垒层和高掺杂gaas帽层时在其之间增加几个原子层厚度的alas腐蚀阻断层，在去除高掺杂gaas帽层时，阻止腐蚀algaas势垒层。

基于上述技术方案可知，本发明的生物传感器具有如下有益效果：(1)克服临床上的用于检测急性心梗标志物心肌肌钙蛋白的检测时间长，往往需要几个小时甚至几天的时间的难题，同时提高了灵敏度检测极限，对于心肌肌钙蛋白的检测极限可以达到fg/ml量级；这对于早期诊断急性心梗具有十分重要的意义，有利于患者提早治疗和减少死亡率；具体地，本发明将超灵敏的高电子迁移晶体管与免疫分析技术相结合，在血清中快速检测超微量的急性心梗生物标志物，检测下限达到1飞克每毫升(1fg/ml)，比临床常用的化学发光免疫测定法高出1000倍；响应时间小于10秒，比临床常用光学检测方法快100倍以上；(2)可以实现干法和湿法同步测试，在便携性上也具有非常明显的优势，可以实现实时检测，具有便于携带和操作简单的特点。

附图说明

图1是本发明的生物传感器各层的剖面结构示意图；

图2是本发明的源、漏、栅极的布线俯视图；

图3是作为本发明一个实施例的ctni生物传感器的源漏电流变化值与检测浓度关系图；

图4是作为本发明一个实施例的ctni生物传感器的响应时间图。

上述附图中，附图标记的含义如下：

1-hemt主结构，2-栅极，3-源极，4-漏极，5-参比电极，6-隔离层，7-被测物。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

近年来，电化学生物传感器由于分子结合后检测电信号，可实现快速以及操作简单。半导体微电子器件hemt在材料结构以及器件工艺上都取得了优异的成果。基于gaas基hemt在高迁移率、高载流子浓度等方面所具有的优势，将其应用于生物检测具有重要的实际意义。δ掺杂的gaas基hemt，在栅极电荷发生变化时，能够引起沟道二维电子气浓度发生变化，从而改变漏电流，实现对于化学以及生物分子浓度的检测。利用gaas基hemt的这种性质，可以研制出具有超高灵敏度、响应快以及便于携带的诊断急性心梗的生物传感器。以急性心梗标志物ctni为例，基于gaas基hemt的ctni传感器，可以检测到浓度为1fg/ml的ctni，反应时间小于20s，且可以实现实时检测，操作简单；相对于传统的ctni检测方法，具有超高灵敏度、超快检测的显著优势。本发明即是为了克服临床上的用于检测急性心梗标志物心肌肌钙蛋白的检测时间长的难题，同时提高灵敏度检测极限，实现超微量心肌肌钙蛋白检测。

为了实现上述目的，具体地，本发明提出了一种用于快速和超高灵敏检测急性心梗标志物心肌肌钙蛋白的gaas基hemt生物传感器。该gaas基hemt生物传感器结构包括源极、漏极和栅极；可特异性识别急性心梗标志物心肌肌钙蛋白的生物分子层；栅极材料选择金薄膜、金纳米粒子、羧基石墨烯、氨基石墨烯、二硫化钼等；心肌肌钙蛋白标志物选择性结合栅极生物分子层后，改变栅极电荷，从而使源漏电流发生变化。在检测时，外加栅极电压-1v到1v变化从而抵消栅极生物分子层修饰后的电荷影响，使检测灵敏度和特异性检测增强。本发明提出的gaas基hemt生物传感器检测环境可以是液态和固态；在液态环境的溶液状被测物是含有心肌肌钙蛋白的pbs缓冲液，在检测过程中，可插入金电极、银|氯化银电极ag/agcl的参比电极，也可以无参比电极，用于调节栅极电势。

本发明中的栅极修饰方法适用于急性心梗标志物，包括心肌肌钙蛋白ctn(ctni和ctnt)、和肽素、心型脂肪酸结合蛋白(h-fabp)、缺血修饰白蛋白(ima)、b型钠尿肽(bnp)等。

本发明的gaas基hemt生物传感器包括gaas基hemt结构、源漏电极、器件隔离层、栅极和生物敏感膜组成，其中，gaas基hemt结构从下至少依次包括叠置的gaas半绝缘衬底、gaas缓冲层、ingaas沟道层、algaas空间隔离层、si的δ掺杂层、algaas势垒层、alas腐蚀阻断层、高掺杂gaas帽层。其中，在对所述高掺杂gaas被去除以露出algaas势垒层，在该露出的algaas势垒层上依次叠置栅极和生物敏感膜。所述源漏电极覆盖于未被去除的高掺杂gaas帽层之上。

下面来说明本发明的用于检测急性心梗标志物的gaas基hemt生物传感器的制造方法：

根据本发明的一种具体实施方式，所述方法包括：

步骤s1、使用veecogen-ii型mbe系统制备gaas基hemt结构，如图1、2所示，该gaas基hemt结构1从下至少包括依次叠置的gaas半绝缘衬底、gaas缓冲层、ingaas沟道层、algaas空间隔离层、si掺杂层、algaas势垒层、alas腐蚀阻断层、高掺杂gaas帽层。在所述gaas基hemt结构中位于algaas势垒层和高掺杂gaas帽层之间增加几个原子层厚度的alas腐蚀阻断层，去除高掺杂gaas帽层时，阻止腐蚀algaas势垒层。

步骤s2、器件隔离。采用正性光刻胶光刻，在曝光的位置使用磷酸系腐蚀液湿法腐蚀，将样品腐蚀到gaas缓冲层。

步骤s3、制作源、漏极。在未被腐蚀的高掺杂gaas帽层上通过使用电子束蒸发镀膜的方法制备锗/金/镍/金电极，使用丙酮溶液进行金属剥离，使用等离子体增强化学气相沉积法生长sio2薄膜，在氮气氛围保护下快速退火，得到欧姆接触的锗/金/镍/金源、漏极3、4。

步骤s4、制作栅极2。采用负性光刻胶通过光刻图形，在曝光的位置使用柠檬酸系腐蚀液选择性腐蚀栅槽，通过调节腐蚀液浓度控制在室温条件下对于gaas和algaas的选择比大于1000，从而控制algaas势垒层上高掺杂gaas帽层栅槽的形状和深度以及algaas势垒层平整度，最后使用稀盐酸腐蚀掉alas腐蚀阻断层，露出algaas势垒层。通过电子束蒸发于algaas势垒层上生长金薄膜，或者通过溶胶法在algaas势垒层上生长羧基或氨基石墨烯，制作栅极2。裸露栅极2用于下一步生物分子修饰。再使用等离子体增强化学气相沉积法沉积sio2薄膜或者光刻胶直接钝化，用于器件的其他区域的保护作用，形成隔离层6。

步骤s5、生物分子修饰。栅极2是au薄膜的话，通过使用巯基丙酸或巯基己酸与其在一定条件下反应形成s-au键，然后将器件浸入羧基活化液中反应数小时，在自组装分子层滴加一定浓度的急性心梗标志物抗体溶液进行反应，固定抗体分子，形成用于检测急性心梗的生物敏感膜。

栅极2是羧基石墨烯或氨基石墨烯的话，在一定条件下滴加一定浓度的急性心梗标志物抗体溶液进行反应，固定抗体分子，形成用于检测急性心梗的生物敏感膜。

步骤s6、测试。固定抗原抗体反应时间，溶液中测试源漏电流信号随心肌肌钙蛋白浓度的变化之后就可以进行检测不同浓度的ctn溶液。在固态测试过程中在栅极加入偏压-1v-1v，抵消栅极生物分子层修饰后的电荷影响，使检测灵敏度和特异性检测增强。在液态测试过程中，在心肌肌钙蛋白溶液的被测物7中加入参比电极5，调节电势。

如图1-4所示，下面结合基于gaas基hemt的ctni生物传感器的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

该实施例的制作方法包括如下步骤：

步骤s1、通过使用epigen-ii型mbe系统来制备algaas/ingaashemt材料结构；其中各层结构分别为：gaas缓冲层300nm，in0.25ga0.75as沟道层15nm，al0.35ga0.65as空间隔离层4nm，si掺杂层，al0.35ga0.65as势垒层25nm，alas腐蚀隔离层0.2nm，高掺杂gaas帽层30nm。

步骤s2、通过使用磷酸系腐蚀液湿法腐蚀得到台面。

步骤s3、通过使用电子束蒸发镀膜的方法制备锗金镍金280nm厚的锗/金/镍/金电极，使用丙酮溶液进行金属剥离，使用等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)生长100nmsio2薄膜，在氮气氛围保护下，400℃～420℃下快速退火30～60s，得到电阻率为6～10ω·cm²量级的欧姆接触。

步骤s4、通过使用柠檬酸系选择性腐蚀液腐蚀hemt结构的高掺杂gaas帽层。该选择性腐蚀液在室温条件下对于gaas和al0.35ga0.65as的选择比大于1000，腐蚀时间30-120秒之间，腐蚀深度30nm±0.5nm。

通过使用电子束蒸发于栅极区域生长au薄膜，使用丙酮溶液进行金属剥离，使用等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)沉积sio2薄膜用于器件的保护作用，即可获得栅极有au薄膜的用于制作生物传感器的hemt。另一种方法是通过溶胶法在algaas势垒层上生长羧基或氨基石墨烯，制作栅极2。

步骤s5、室温下将器件进入到10mm的巯基丙酸溶液中24小时，形成s-au键，然后用去离子水冲洗，使用氮气将器件吹干。将器件浸泡在羧基活化液(edc+nhs)中15分钟，随后用1mmpbs溶液冲洗，使用氮气将器件吹干。将器件浸泡在肌钙蛋白抗体溶液(100ng/mlinpbs)中2小时，随后用1mmpbs溶液冲洗，再用去离子水冲洗吹干用于肌钙蛋白检测。

步骤s6、固定抗原抗体反应时间，溶液中测试电流信号随肌钙蛋白浓度的变化之后就可以进行检测不同浓度的ctn溶液。测试结果参见图3和图4。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。