1.本发明涉及生物化学检测的技术领域，具体地，本技术提供了基于量子电容-电导双通道检测的分析型二维材料生化传感器及其在离子检测中的应用。
背景技术：
2.移动通讯和微型电子设备的大规模运用，以及相关的互联技术在工业和日常生活中的日益普及，对研发应用于各种环境中的紧凑型传感器设备提出了新的要求。而新型纳米材料作为开发下一代传感器的核心功能组件的基础，正受到越来越多的关注。通过对此类纳米材料理化特性的精准调控，往往能够针对特定的传感目标实现超灵敏检测。以石墨烯、mos2等为代表的二维材料是这些新型材料中重要的一类。自2004年石墨烯被首次制备以来，得益于石墨烯二维材料优异的电学特性和良好的生物相容性、稳定性等，gr-fet在ivd医疗检测、环境目标分子的检测应用上具有独特优势：i)二维材料所有原子都位于表面，因此其对环境变化极为敏感，检测灵敏度高；ii)其传感原理基于通过场效应检测目标生物化学分子的电荷。而生物化学分子在二维材料表面的吸附较快，同时电信号探测本身具有实时性，因此检测所需时间短，可实现在线快速检测。同时，近年来石墨烯的高质量、大面积制备技术也得到了长足的进步，业界已实现晶圆级石墨烯芯片的可控制备，使石墨烯应用于各类生化传感器的图景不再仅停留于实验室。比如，美国nanosens公司曾将gr-fet和crispr-cas9基因编辑技术结合[nat.bio.eng.,https://doidoi:.org/10.1038/s41551-019-0371-x]，在没有任何预扩增前处理的情况下，其短时间内对肌营养不良基因组特定基因突变的检测极限可比对甚至优于pcr荧光等技术。近期，使用石墨烯晶体管对sars-cov-2病毒进行快速(1分钟)临床检测的文章就在知名期刊acs nano发表。其对临床样品的检测灵敏度达到243copies/ml，为基于二维材料实现紧凑、快速的诊断系统提供了直接依据[acs nano,doi:：10.1021/acsnano.0c02823]。
[0003]
已有二维材料场效应生物化学传感器主要靠二维材料电导(或电阻)信号变化来探测生物标志物在二维材料表面的(解)吸附与(解)结合过程。然而，在这样一个复杂的表面相互作用过程中，带电的生物标志物不仅能够通过场效应影响二维材料的载流子浓度，同时，其可能作为散射中心改变二维材料的载流子迁移率。因此，经典的电导(或电阻)测试不能区分二维材料载流子浓度和迁移率的变化，也就无法探明生物传感的电荷或散射机制。即在分析生物分子与二维材料表面相互作用这一关键传感过程时，表现出了极大的局限性。利用半导体霍尔效应能够分别获得上述二维材料载流子浓度和迁移率，从而区分其生化传感机制 [adv.funct.mater.2013,23,2301]。但是，霍尔测试一般需要搭载较为笨重的永磁体[adv. funct.mater.2013,23,2301]，这就难以满足便携式测量对于安全性的要求。
技术实现要素：
[0004]
为解决上述问题，申请人提供了：
[0005]
一方面，本技术提供了一种基于量子电容-电导双通道检测的分析型二维材料生化传感器，其特征在于，所述分析型二维材料生化传感器包含二维材料量子电容检测和电导检测两个传感通道。
[0006]
进一步地，所述分析型二维材料生化传感器包括衬底和溶液；所述衬底上设有二维材料层；所述二维材料层两端设有源、漏电极，构成二维材料面内电导检测传感通道；所述溶液中设有液栅电极，其与二维材料层构成面外的量子电容检测传感通道。
[0007]
进一步地，所述溶液滴加于设有二维材料层的衬底上或者将设有二维材料层的衬底置于溶液中。
[0008]
进一步地，所述源漏极电极材料选自金、铂金、银、铜、或铝。
[0009]
进一步地，所述液栅电极选自的ag/agcl、hg/hg2so4、可逆氢电极
[0010]
进一步地，所述二维材料选自；石墨烯、还原氧化石墨烯、二硫化钼或氮化硼；所述二维材料通过湿法或干法转移到衬底上；或直接采用cvd法生长在绝缘的蓝宝石或覆盖有绝缘 sio2层的硅晶圆衬底上。
[0011]
进一步地，所述衬底选自硅、醋酸纤维素或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
[0012]
进一步地，所述衬底为硅衬底；以金属箔作基底，利用cvd方法生长单层石墨烯薄层，将石墨烯薄层通过pmma法转移至所述硅衬底上；所述液栅电极为ag/agcl赝参比电极；所述溶液为ph值为6.5-7.5的磷酸盐缓冲液；将设有二维材料层的衬底置于所述溶液中。
[0013]
或者，所述衬底为pet衬底；将二硫化钼薄层转移至衬底上；所述液栅电极为hg/hg2so4电极；所述溶液为ph值为6.5-7.5的磷酸盐缓冲液；将所述溶液滴加于设有二维材料层的衬底上。
[0014]
或者，所述衬底为醋酸纤维素衬底；将氮化硼薄层转移至衬底上；所述液栅电极为可逆氢电极；所述溶液为ph值为6.5-7.5的磷酸盐缓冲液；将所述溶液滴加于设有二维材料层的衬底上。
[0015]
另一方面，本技术提供了使用上述分析型二维材料生化传感器的离子检测或分析方法，其特征在于，所述方法包括：通过扫描不同的栅极电压，得到器件的量子电容及电导特征曲线；通过改变待测离子的浓度，得到浓度变化后的量子电容及电导特征曲线，解耦合后获得浓度依赖的二维材料电导、载流子浓度及迁移率特征曲线。
[0016]
进一步地，所述离子可选氢离子、铵根离子、锂离子、钾离子、钠离子、钙离子、镁离子、铝离子、锰离子、锌离子、铬离子、铁离子、亚铁离子、砷离子、铅离子、铜离子、亚铜离子、汞离子、银离子、氢氧根离子、硝酸根离子、氯离子、硫酸根离子、亚硫酸根离子、硫离子、碳酸根离子、硅酸根离子、磷酸根离子。
[0017]
本技术的场效应晶体管器件采用传统经典的顶栅底接触结构器件，包括栅极、源级和漏极。
[0018]
除上述材料外，液栅电极可以根据需要选用铂丝、金丝或石墨电极等已知可用材料。
[0019]
除上述材料外，二维材料可以根据需要选用、硅烯、锗烯、磷烯、硼烯、锡烯、氮化硼、、二硫化钨、二硫化铼、二硒化铼、碳化钼、碳化二钨、碳化钨、碳化钽、有金属有机骨架化合物，共价有机骨架化合物、层状双氢氧化物，氧化物等已知可用材料。
[0020]
除上述材料外，衬底可以根据需要选用塑料、玻璃、蓝宝石、镀有二氧化硅的硅片、
聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚异丁烯、聚丙烯腈、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、三聚氰胺脲醛树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚甲醛、聚氧化乙烯、聚己二酰己二胺、聚己内酰胺、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、丁基橡胶、丁二烯异戊二烯共聚物、棉纤维、麻纤维、木纤维、草纤维等已知可用材料。
[0021]
有益效果
[0022]
本发明提出采用量子电容-电导双通道分析型二维材料生物传感器，同时进行二维材料量子电容和电导两个传感通道的测试，从而区分其载流子浓度和迁移率的变化，探明生物传感的电荷或散射机制。本发明构建的基于量子电容-电导双通道检测的分析型二维材料生物传感器与半导体工艺及便携式现场检测需求兼容(无需搭载传统半导体霍尔检测所需的永磁体)。此外，本发明基于精确电学检测技术构建的便携式分析型二维材料生物芯片具有较强成本竞争力，其操作流程简洁，免除了荧光标记、扩增等复杂步骤，也不需要使用昂贵的光学仪器，从而节约时间及人力物力等成本，为离子检测及各类生物标记物检测与筛选(检测限度可达到、或优于fm量级)，提供了新的研究思路及技术指导。
附图说明
[0023]
图1为本发明基于二维材料的分析型生物化学传感器的结构及电路连线示意图；
[0024]
图2a、b分别为本发明基于二维材料石墨烯的分析型生物化学传感器表面检测氢离子前后的转移特性曲线和电容曲线；
[0025]
图3为本发明二维材料石墨烯的分析型生物化学传感器表面，用于检测不同浓度氢离子的时间依赖场效应特性图；
[0026]
图4a、b分别为本发明基于二维材料二硫化钼的分析型生物化学传感器表面检测k
+
离子前后的转移特性曲线和电容曲线；
[0027]
图5为本发明二维材料二硫化钼的分析型生物化学传感器表面，用于检测不同浓度k
+
离子的时间依赖场效应特性图；
[0028]
图6a、b分别为本发明基于二维材料二硫化钨的分析型生物化学传感器表面检测mg
2+
离子前后的转移特性曲线和电容曲线；
[0029]
图7为本发明二维材料二硫化钨的分析型生物化学传感器表面，用于检测不同浓度mg
2+
离子的时间依赖场效应特性图。
具体实施方式
[0030]
为了让本发明的目的、特点及优势更加明了，以下根据具体的实施例及附图，对本发明的具体实施过程做出更加详细的阐释，在下面的实施例中，阐述了更为具体的细节，以便于充分地理解本发明，但是本发明能够以很多不同于以下描述的其他方式来实施。因此，本发明不受以下公开的具体实施的限制。
[0031]
实施例1.基于石墨烯场效应晶体管的生物化学传感器对氢离子的检测。
[0032]
一、制备石墨烯场效应晶体管
[0033]
(1)以金属箔作基底，利用cvd方法生长单层石墨烯薄层，将石墨烯薄层通过传统
的 pmma法转移至硅衬底上。
[0034]
(2)采用微纳加工工艺对石墨烯进行图案化，并在石墨烯层的两端制备源、漏金电极后对石墨烯薄层之外的区域进行封装；
[0035]
(3)将石墨烯场效应晶体管置于ph值为6.5-7.5的缓冲液(如磷酸盐缓冲液)溶液环境，插入ag/agcl(赝)参比电极，形成栅极。
[0036]
二、量子电容-电导双通道分析型石墨烯场效应晶体管应用于氢离子检测的实验流程
[0037]
(1)将制备的石墨烯场效应晶体管的源极、漏极和栅极按图1所示相连到可同时进行双通道检测的锁相放大器。其中一条通道检测通过石墨烯的源漏极之间的电流或电压，另一条通道检测石墨烯与栅极溶液间的界面电流或电压。
[0038]
(2)改变石墨烯的栅压v
ref
(如扫描范围为-0.5v-0.3v)，记录一条通道在恒定电流源下(如i
ds-1μa)器件中的电压v
ds
，经公式1换算得到该器件的电导(g，图2左)，即石墨烯器件的转移特性曲线；同时记录另一个通道在恒定电压，例如v
ac-7.07mv下的电流及相位差ψ，通过公式2换算得到界面电容(c
inter
)随栅压的变化曲线(图2右)。通过传输特性曲线g(v
ref
)，可以获得石墨烯器件的电荷中性点(cnp，也称为dirac点)，这里v
dirac
＝-90mv。
[0039][0040][0041]
根据石墨烯源漏极之间的跨导gm和远离dirac点的界面电容值(这里可以取其值为2 μf/cm2)，可推导出初始场效应载流子迁移率以及载流子密度为：
[0042]
μ＝gm/c
inter
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0043]
和
[0044]
n＝g/eμ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0045]
通过计算可得到离子检测前石墨烯的空穴为1000cm2/v
·
s，电子为1200cm2/v
·
s。
[0046]
(4)在转移特性曲线的拐点附近栅压，即v
ref
＝50mv，对其检测氢离子浓度的性能进行测试，即置换不同氢离子浓度的待测溶液进行实时传感测试，并同时监控获得二维材料电导变化和界面电容变化，获得时间依赖的场效应及界面电容的特性曲线。具体地，将栅极插入 ph值为3.5-7.5的缓冲液(如磷酸盐缓冲液)，ph值依次从高到低进行实时电学测量。例如，滴加ph为7.5的缓冲溶液0.05ml，记录器件中的双通道的电压和电流，得到时间依赖的场效应及界面电容的曲线。然后根据公式3和4，得到载流子迁移率和载流子浓度随检测的变化曲线，如图3。
[0047]
通过数据分析可知，离子的吸附会导致：i)载流子迁移率的抑制；ii)v
ref
＝0v时电子密度的增加。这可归因于dirac点的位移δv
dirac
＝-30mv：当带正电荷的氢离子结合在石墨烯表面上时，向负方向移动30mv。鉴于载流子迁移率和载流子密度引起的电导变化，可以是同向的，也可以是相反的。很明显，基于电导的测量不能单独描述出生物传感反应的全面图景。也就是说，传统的电导测量本身无法解开由载流子迁移率或载流子密度引起的石墨烯电导δg的复杂变化。而通过电容-电导双通道分析型石墨烯场效应晶体管，可推导出初
始场效应载流子迁移率以及载流子密度，解开由载流子迁移率或载流子密度引起的石墨烯电导δg 的复杂变化，从而获得更多信息。由图3中滴加待测ph的溶液出现的明显尖峰，相较于传统的电导信号亦可知，该免疫传感器在检测不同氢离子浓度中显示出了更高的灵敏性。
[0048]
实施例2.基于二硫化钼场效应晶体管的生物化学传感器对钾离子的检测。
[0049]
一、制备二硫化钼场效应晶体管
[0050]
将二硫化钼薄层转移至高分子(如pet)衬底上，二硫化钼的两端分别焊接源电极和漏电极，对二硫化钼薄层之外的区域进行封装。将ph值为6.5-7.5的缓冲液(如磷酸盐缓冲液) 滴加到二硫化钼表面，将hg/hg2so4插入到液滴中，形成栅极。
[0051]
二、电容-电导双通道分析型二硫化钼场效应晶体管应用于钾离子检测的实验流程
[0052]
(1)将制备的二硫化钼场效应晶体管的源极、漏极和栅极按图1所示相连到可同时进行双通道检测的锁相放大器。其中一条通道检测通过二硫化钼的源漏极之间的电流或电压，另一条通道检测二硫化钼与栅极溶液间的界面电流或电压。
[0053]
(2)改变二硫化钼的栅压(如扫描范围为-0.3v-0.4v)，记录下电导的变化曲线得到传输特性曲线g(v
ref
)和中性点，这里v
cnp
＝60mv。同时在另一通道记录下电容的变化曲线，如图4左所示。(3)计算出二硫化钼在检测前的初始载流子迁移率和载流子密度，离子检测前空穴为40cm2/v
·
s，电子为36cm2/v
·
s。
[0054]
(4)在转移特性曲线的拐点附近栅压，即v
ref
＝50mv，对其检测氢离子浓度的性能进行测试，即置换不同钾离子浓度的待测溶液进行实时传感测试，并同时监控获得二维材料电导变化。然后，对其检测钾离子浓度的性能进行测试，即测试时间依赖的场效应特性曲线。将栅极插入ph值为3.5-7.5的缓冲液(如磷酸盐缓冲液)，ph值依次从高到低进行实时电学测量。例如，滴加ph为7.5的缓冲溶液0.05ml，记录器件中的电压，数据归一化后得到时间依赖的场效应特性曲线，如图5。
[0055]
通过数据分析可知，离子的吸附会导致：i)载流子迁移率的抑制；ii)v
ref
＝0v时电子密度的增加。这可归因于dirac点的位移δv
dirac
＝-10mv：当带正电荷的钾离子结合在二硫化钼表面上时，向负方向移动50mv。鉴于载流子迁移率和载流子密度引起的电导变化，可以是同向的，也可以是相反的。很明显，基于电导的测量不能单独描述出生物传感反应的全面图景。也就是说，传统的电导测量本身无法解开由载流子迁移率或载流子密度引起的二硫化钼电导δg的复杂变化。而通过电容-电导双通道分析型二硫化钼场效应晶体管，可推导出初始场效应载流子迁移率以及载流子密度，解开由载流子迁移率或载流子密度引起的二硫化钼电导δg的复杂变化，从而获得更多信息。由图5中滴加待测ph的溶液出现的明显尖峰，相较于传统的电导信号亦可知，该免疫传感器在检测不同钾离子浓度中显示出了更高的灵敏性。
[0056]
实施例3.基于氮化硼场效应晶体管的生物化学传感器对镁离子的检测。
[0057]
一、制备二硫化钨场效应晶体管
[0058]
将氮化硼薄层转移至纤维素(如醋酸纤维素)衬底上，二硫化钨的两端分别焊接源电极和漏电极，对氮化硼薄层之外的区域进行封装。将ph值为6.5-7.5的缓冲液(如磷酸盐缓冲液)滴加到氮化硼表面，选择可逆氢电极为参比电极，作为器件的栅极。
[0059]
二、电容-电导双通道分析型氮化硼场效应晶体管应用于镁离子检测的实验流程
[0060]
(1)将制备的二硫化钨场效应晶体管的源极、漏极和栅极按图1所示相连到可同时进行双通道检测的锁相放大器。其中一条通道检测通过二硫化钨的源漏极之间的电流或电压，另一条通道检测二硫化钨与栅极溶液间的界面电流或电压。
[0061]
(2)改变二硫化钨的栅压(如扫描范围为-0.5v-0.3v)，记录下电导的变化曲线得到传输特性曲线g(v
ref
)和中性点，这里v
cnp
＝-30mv。同时在另一通道记录下电容的变化曲线，如图6左所示。
[0062]
(3)计算出二硫化钨在检测前的初始载流子迁移率和载流子密度，离子检测前空穴为 30cm2/v
·
s，电子为24cm2/v
·
s。
[0063]
(4)在转移特性曲线的拐点附近栅压，即v
ref
＝50mv，对其检测氢离子浓度的性能进行测试，即置换不同镁离子浓度的待测溶液进行实时传感测试，并同时监控获得二维材料电导变化。然后，对其检测镁离子浓度的性能进行测试，即测试时间依赖的场效应特性曲线。将栅极插入ph值为3.5～7.5的缓冲液(如磷酸盐缓冲液)，ph值依次从高到低进行实时电学测量。例如，滴加ph为7.5的缓冲溶液0.05ml，记录器件中的电压，数据归一化后得到时间依赖的场效应特性曲线，如图7。
[0064]
通过数据分析可知，离子的吸附会导致：i)载流子迁移率的抑制；ii)v
ref
＝0v时电子密度的增加。这可归因于dirac点的位移δv
dirac
＝-170mv：当带正电荷的镁离子结合在二硫化钨表面上时，向负方向移动170mv。鉴于载流子迁移率和载流子密度引起的电导变化，可以是同向的，也可以是相反的。很明显，基于电导的测量不能单独描述出生物传感反应的全面图景。也就是说，传统的电导测量本身无法解开由载流子迁移率或载流子密度引起的二硫化钨电导δg的复杂变化。而通过电容-电导双通道分析型二硫化钨场效应晶体管，可推导出初始场效应载流子迁移率以及载流子密度，解开由载流子迁移率或载流子密度引起的二硫化钨电导δg的复杂变化，从而获得更多信息。由图7中滴加待测ph的溶液出现的明显尖峰，相较于传统的电导信号亦可知，该免疫传感器在检测不同镁离子浓度中显示出了更高的灵敏性。