基于铁电基底的石墨烯场效应生物传感器及其制作方法与流程

本发明涉及一种基于铁电基底的石墨烯场效应生物传感器及其制作方法，属于场效应管生物传感领域。

背景技术：

1、随着纳米材料的发展与引入，低维材料场效应生物传感器的研究日益火热。石墨烯作为低维材料的代表，其为单层碳原子排列的零带隙二维材料，具有优异物理性质，例如超高的电子迁移率、良好的导热性、高机械强度、低散射系数。且由于石墨烯只有单原子层厚度，导致其导电性对化学掺杂十分敏感。同时石墨烯具有稳定的化学性质、高比表面积以及表面可修饰等特性。因此，石墨烯是开发高性能场效应晶体管生物传感器的理想沟道材料。

2、掺杂是改变石墨烯沟道电学性能的一种方法，但一般的化学修饰掺杂会影响石墨烯表面，这对后续的生物修饰将产生不可预测的影响。如何改变石墨烯沟道电学性能，而又不影响场效应生物传感器的生物修饰操作，成为本领域尚未解决的难点。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于铁电基底的石墨烯场效应生物传感器及其制作方法，不采用化学修饰，而是借助铁电基底改变石墨烯的电学性能，不会影响生物修饰操作。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、第一方面，本申请提供一种基于铁电基底的石墨烯场效应生物传感器，包括铁电基底和设置在所述铁电基底上的源极、漏极和栅极，所述源极和所述漏极之间连接有石墨烯沟道，所述栅极与所述石墨烯沟道相离，所述铁电基底上盖有通道层，所述通道层的底部向上内凹形成液栅腔，所述石墨烯沟道中部和所述栅极的一端位于所述液栅腔内，所述栅极的另一端以及所述源极、所述漏极在所述液栅腔之外，所述通道层的顶部设有向下连通所述液栅腔的进出口，所述石墨烯沟道上修饰有生物探针。

4、本申请提供的场效应生物传感器利用静电掺杂来调制石墨烯沟道的电学特性，将石墨烯集成在铁电基底上形成石墨烯/铁电场效应管(g/fe-fet)，铁电基底自发极化产生的静电场可以调制石墨烯沟道的载流子，增大器件的开关比，从而改变器件的电学特性，提升器件的检测灵敏度。

5、进一步地，所述铁电基底的材质选自铌酸锂（linbo3）铁电材料、锆钛酸铅（pzt）铁电材料、钽酸锂（litao3）铁电材料中的一种。

6、进一步地，所述源极、漏极和栅极由下往上均包括粘附层和电极层，所述粘附层的材料为钛或铬，所述电极层的材料为金、铂、银、铝、铜、石墨或氮化钛。电极层用于导电，在实际使用时焊接导线；电极层如果直接与铁电材料接触，则接连力较弱，粘附层用于将电极层牢固地粘在铁电材料上，以免电极层与铁电材料直接接触而容易脱落。

7、更进一步地，所述粘附层的厚度为10nm-100nm，所述电极层的厚度为50nm-1000nm。

8、进一步地，所述生物探针为乳腺癌标志物mic-rna21的适配体，使得场效应生物传感器可应用于乳腺癌早筛。

9、更进一步地，所述石墨烯沟道通过连接分子转接所述生物探针，所述连接分子为1-芘丁酸- n -羟基琥珀酰亚胺酯。

10、通过1-芘丁酸- n -羟基琥珀酰亚胺酯桥接，可有效将乳腺癌标志物mic-rna21的适配体修饰在石墨烯上。

11、进一步地，所述通道层为倒模而成的聚二甲基硅氧烷。pdms（聚二甲基硅氧烷）抗静电效果好，不会影响铁电材料对石墨烯的静电掺杂。

12、第二方面，本申请提供一种基于铁电基底的石墨烯场效应生物传感器的制作方法，包括以下步骤：

13、在铁电基底上沉积出源极、漏极和栅极；

14、将石墨烯转移到所述铁电基底上；

15、刻蚀所述石墨烯以形成石墨烯沟道；所述石墨烯沟道连接所述源极和所述漏极，与所述栅极相离；

16、制作具有液栅腔和进出口的通道层；所述液栅腔位于所述通道层的底部，所述进出口位于所述通道层顶部且连通所述液栅腔；

17、将所述通道层贴合在所述铁电基底表面，以使所述石墨烯沟道中部和所述栅极的一端位于所述液栅腔内，所述栅极的另一端以及所述源极、所述漏极在所述液栅腔之外；

18、以所述进出口和所述液栅腔作为流道，往所述流道中注入修饰溶液浸泡所述石墨烯沟道，以在所述石墨烯沟道上修饰生物探针，得到所述基于铁电基底的石墨烯场效应生物传感器。

19、铁电基底可以通过自发极化产生的电场调制石墨烯的电学特性，从而提高器件的灵敏度。石墨烯与目标分子特异性结合，引起石墨烯的狄拉克点发生变化。本申请采用铁电基底的自发极化电场对石墨烯沟道的电场调制，并且对带电分子存在聚集作用，能够提升器件的灵敏度。

20、进一步地，所述将石墨烯转移到所述铁电基底上的步骤包括：

21、在铜基板上有石墨烯的一面涂覆并固化pmma，得到带胶层的第一中间片；

22、铜基板朝下、胶层朝上地将所述第一中间片浮于氯化铁溶液上，得到除去铜基板的第二中间片；

23、胶层朝上地将所述第二中间片贴附在所述铁电基底，用100℃-110℃烘1小时至2小时；

24、将所述铁电基底浸泡在60℃的丙酮中10min，再转入常温丙酮中浸泡1h，以除去胶层。

25、通过化学气相沉积的石墨烯薄膜只能生长在铜基板或铜箔上，因此外购得的石墨烯薄膜都带有铜基板，首先在石墨烯上固化pmma（聚甲基丙烯酸甲酯），形成具有“铜基板-石墨烯-胶层”三层结构的第一中间片，然后用氯化铁溶液除去铜基板，余下具有“石墨烯-胶层”两层结构的第二中间片。第二中间片与已经做出电极（源极、漏极、栅极）的铁电基底贴合后，烘干第二中间片与铁电基底之间的水分，增强石墨烯与铁电基底的结合力。最后用丙酮除去胶层，剩下石墨烯薄膜贴合在铁电基底上。

26、进一步地，所述往所述流道中注入修饰溶液浸泡所述石墨烯沟道，以在所述石墨烯沟道上修饰生物探针的步骤包括：

27、往所述流道通入10mmol/l的pabse甲醇溶液，静置浸泡所述石墨烯沟道6h；

28、依次通入甲醇、乙醇和去离子水清洗所述流道；

29、通入2mmol/l的乳腺癌标志物mic-rna21适配体的磷酸缓冲溶液，静置浸泡所述石墨烯沟道12h；

30、通入磷酸缓冲溶液清洗所述流道。

31、本发明的有益效果是：本发明通过采用铁电基底自发极化产生的近表面电场对石墨烯进行静电掺杂，改变石墨烯沟道的载流子浓度和电学传输特性，可提高石墨烯对传感沟道表面电荷的敏感度，由于是直接接触的电学掺杂，而非化学掺杂，铁电基底与石墨烯之间没有化学键连接，因此不会对石墨烯的生物修饰造成影响。

32、本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种基于铁电基底的石墨烯场效应生物传感器，其特征在于，包括铁电基底和设置在所述铁电基底上的源极、漏极和栅极，所述源极和所述漏极之间连接有石墨烯沟道，所述栅极与所述石墨烯沟道相离，所述铁电基底上盖有通道层，所述通道层的底部向上内凹形成液栅腔，所述石墨烯沟道中部和所述栅极的一端位于所述液栅腔内，所述栅极的另一端以及所述源极、所述漏极在所述液栅腔之外，所述通道层的顶部设有向下连通所述液栅腔的进出口，所述石墨烯沟道上修饰有生物探针。

2.根据权利要求1所述的基于铁电基底的石墨烯场效应生物传感器，其特征在于，所述铁电基底的材质选自铌酸锂铁电材料、锆钛酸铅铁电材料、钽酸锂铁电材料中的一种。

3.根据权利要求2所述的基于铁电基底的石墨烯场效应生物传感器，其特征在于，所述源极、漏极和栅极由下往上均包括粘附层和电极层，所述粘附层的材料为钛或铬，所述电极层的材料为金、铂、银、铝、铜、石墨或氮化钛。

4.根据权利要求3所述的基于铁电基底的石墨烯场效应生物传感器，其特征在于，所述粘附层的厚度为10nm-100nm，所述电极层的厚度为50nm-1000nm。

5.根据权利要求1所述的基于铁电基底的石墨烯场效应生物传感器，其特征在于，所述生物探针为乳腺癌标志物mic-rna21的适配体。

6. 根据权利要求5所述的基于铁电基底的石墨烯场效应生物传感器，其特征在于，所述石墨烯沟道通过连接分子转接所述生物探针，所述连接分子为1-芘丁酸- n -羟基琥珀酰亚胺酯。

7.根据权利要求1所述的基于铁电基底的石墨烯场效应生物传感器，其特征在于，所述通道层为倒模而成的聚二甲基硅氧烷。

8.一种基于铁电基底的石墨烯场效应生物传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的基于铁电基底的石墨烯场效应生物传感器的制作方法，其特征在于，所述将石墨烯转移到所述铁电基底上的步骤包括：

10.根据权利要求8所述的基于铁电基底的石墨烯场效应生物传感器的制作方法，其特征在于，所述往所述流道中注入修饰溶液浸泡所述石墨烯沟道，以在所述石墨烯沟道上修饰生物探针的步骤包括：

技术总结
本发明公开了一种基于铁电基底的石墨烯场效应生物传感器及其制作方法，属于场效应管生物传感领域，该场效应生物传感器包括铁电基底和电极，源极和漏极之间设有石墨烯沟道，铁电基底上盖有通道层，通道层的底部向上内凹形成液栅腔，栅极一端和石墨烯沟道位于液栅腔内，栅极另一端、源极、漏极在液栅腔外，通道层顶部设有进出口，石墨烯沟道上修饰有生物探针。通过采用铁电基底自发极化产生的近表面电场对石墨烯进行静电掺杂，改变石墨烯沟道的载流子浓度和电学传输特性，可提高石墨烯对传感沟道表面电荷的敏感度，由于是直接接触的电学掺杂，而非化学掺杂，铁电基底与石墨烯之间没有化学键连接，因此不会对石墨烯的生物修饰造成影响。

技术研发人员：魏千惠,魏峰,金庆喜
受保护的技术使用者：有研（广东）新材料技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15