本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及場效應(yīng)傳感器及其制造方法。

背景技術(shù)：

重金屬排入環(huán)境之后不易去除，而是在環(huán)境中長期積累，已經(jīng)成為當前最為嚴重的環(huán)境生態(tài)污染之一。鉛離子是一種廣泛存在于水環(huán)境中的重金屬污染物，可在生物體內(nèi)產(chǎn)生長期、可積累的毒性，造成貧血、神經(jīng)機能失調(diào)和腎損傷，嚴重危害環(huán)境安全和人體健康。

傳統(tǒng)的鉛離子檢測方法有原子吸收光譜法、原子發(fā)射光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、原子熒光光譜法、色譜法等，在實際應(yīng)用中存在儀器設(shè)備昂貴，需專業(yè)人員操作，檢測周期長等問題，費時費力，難以滿足大規(guī)模應(yīng)用及實時原位檢測等需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于此，確有必要提供一種檢測操作便捷的微型化、集成化的場效應(yīng)傳感器及其制造方法。

一種場效應(yīng)傳感器，包括場效應(yīng)晶體管、連接體材料層及含G堿基的DNA單鏈，所述場效應(yīng)晶體管具有半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道，所述連接體材料層設(shè)置在所述導(dǎo)電溝道表面，所述含G堿基的DNA單鏈單端與所述連接體材料層固定連接，并通過所述連接體材料層固定在所述導(dǎo)電溝道表面附近。

在其中一個實施例中，所述連接體材料層與所述導(dǎo)電溝道通過共價鍵或者非共價吸附作用牢固結(jié)合。

在其中一個實施例中，所述導(dǎo)電溝道表面具有用于與所述連接體材料層連接的官能團。

在其中一個實施例中，所述連接體材料層具有用于與所述導(dǎo)電溝道表面連接的官能團。

在其中一個實施例中，所述連接體材料層的材料包括3-氨基丙基三乙氧基硅烷。

在其中一個實施例中，所述含G堿基的DNA單鏈長度為15個至20個堿基長度，所述含G堿基的DNA單鏈中G堿基的數(shù)量占總堿基數(shù)量的百分比為60％至80％。

一種如前面所述的場效應(yīng)傳感器的制造方法，包括：

提供場效應(yīng)晶體管，所述場效應(yīng)晶體管具有半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道；

對所述導(dǎo)電溝道預(yù)處理，使所述導(dǎo)電溝道表面具有用于與連接體材料層連接的官能團；

在所述導(dǎo)電溝道上形成所述連接體材料層；

提供末端修飾的含G堿基的DNA單鏈；以及

將所述含G堿基的DNA單鏈經(jīng)過修飾的末端與所述連接體材料層固定連接。

在其中一個實施例中，所述含G堿基的DNA單鏈的末端修飾物為用于與所述連接體材料層共價結(jié)合的官能團。

在其中一個實施例中，將所述含G堿基的DNA單鏈經(jīng)過修飾的末端與所述連接體材料層固定連接的步驟，進一步包括：使用DNA處理液對所述連接體材料層進行處理，所述DNA處理液包括所述末端修飾的含G堿基的DNA單鏈，所述末端修飾的含G堿基的DNA單鏈在所述DNA處理液中的濃度為0.1μM至10μM。

在其中一個實施例中，所述DNA處理液的pH值為6.8-7.4，離子強度為10mM至150mM。

本發(fā)明中的場效應(yīng)傳感器，包括具有半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道的場效應(yīng)晶體管、連接體材料層及含G堿基的DNA單鏈，連接體材料層設(shè)置在導(dǎo)電溝道表面，含G堿基的DNA單鏈單端與連接體材料層固定連接，并通過連接體材料層固定在導(dǎo)電溝道表面附近。當溶液中有鉛離子作用時，含G堿基的DNA單鏈會發(fā)生空間構(gòu)象變化，形成G-四聚體結(jié)構(gòu)，影響場效應(yīng)晶體管中導(dǎo)電溝道的場效應(yīng)運輸性質(zhì)，改變導(dǎo)電溝道的場效應(yīng)曲線。該場效應(yīng)傳感器體積小，便于移動和攜帶，可以根據(jù)實際需要隨時隨地的進行檢測；操作簡單，靈敏性高，檢測周期短，可以大規(guī)模應(yīng)用。

本發(fā)明中的場效應(yīng)傳感器的制造方法，對場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電溝道預(yù)處理使其具有與連接體材料層連接的官能團，在導(dǎo)電溝道上形成連接體材料層，再將具有末端修飾的含G堿基的DNA單鏈的修飾末端固定連接到連接體材料層。制造方法簡單可行，便于規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的場效應(yīng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例的場效應(yīng)傳感器感測原理示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例的場效應(yīng)傳感器在水溶液中與鉛離子作用的過程示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例的導(dǎo)電溝道表面的原子力顯微鏡照片；

圖5為本發(fā)明實施例的場效應(yīng)傳感器對0μg/L至500μg/L濃度鉛離子溶液響應(yīng)的標準曲線；

圖6為本發(fā)明實施例的場效應(yīng)傳感器對0μg/L至10μg/L濃度鉛離子溶液響應(yīng)的標準曲線。

其中，

場效應(yīng)傳感器-10；

場效應(yīng)晶體管-100；

導(dǎo)電溝道-102；

感生空穴-1022；

源極-104；

漏極-106；

柵極-108；

連接體材料層-200；

含G堿基的DNA單鏈-300；

G-四聚體-300’。

具體實施方式

下面參考附圖并結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

請參閱圖1，本發(fā)明實施例提供一種場效應(yīng)傳感器10，包括場效應(yīng)晶體管100、連接體材料層200及含G堿基的DNA單鏈300。場效應(yīng)晶體管100包括半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道102、源極104、漏極106及柵極108。源極104及漏極106分別與導(dǎo)電溝道102連接。柵極108與導(dǎo)電溝道102相對并絕緣設(shè)置。場效應(yīng)晶體管100優(yōu)選為背柵型或底柵型結(jié)構(gòu)。連接體材料層200設(shè)置在導(dǎo)電溝道102表面，含G堿基的DNA單鏈300單端與連接體材料層200固定連接，通過連接體材料層200固定在導(dǎo)電溝道102附近。

請參閱圖2及圖3，DNA分子中的堿基在水溶液中會因電離而帶電，電性與水溶液的pH值有關(guān)。當水溶液為中性、弱酸或弱堿性時，DNA分子在水溶液中會因電離而帶負電。電荷在界面以上進行感應(yīng)的有效距離λ與緩沖液的離子強度有關(guān)。依據(jù)德拜屏蔽理論，對于離子強度在100mM以下的溶液，有效距離λ約為幾個納米，界面以上附近帶電堿基可對場效應(yīng)晶體管100半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道102形成有效的電荷感應(yīng)，即電場效應(yīng)。而某些特定堿基序列的功能核酸在水相條件下可與鉛離子發(fā)生作用。其中含G堿基的DNA單鏈300在鉛離子的作用下可以發(fā)生空間構(gòu)象變化，形成G-四聚體300’結(jié)構(gòu)。因此，當一端固定于硅基半導(dǎo)體表面的含G堿基的DNA單鏈300因溶液中的鉛離子的作用而被誘發(fā)形成G-四聚體300’構(gòu)象變化時，可以使更多帶負電的堿基進入有效感應(yīng)距離λ內(nèi)，從而在半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道102中形成響應(yīng)信號。

場效應(yīng)晶體管100的導(dǎo)電溝道102表面具有用于與連接體材料層200連接的官能團，例如Si-H、Si-OH等。

連接體材料層200具有用于與所述導(dǎo)電溝道102表面連接的官能團。連接體材料層200可以包括連接體分子。連接體分子可以與導(dǎo)電溝道102形成共價結(jié)合或者較強的非共價吸附作用，從而固定連接到導(dǎo)電溝道102表面，且在水溶液中該共價結(jié)合或者較強的非共價吸附不可逆。連接體分子還可以與含G堿基的DNA單鏈300形成牢固結(jié)合，具體可以通過共價鍵使所述含G堿基的DNA單鏈單端與所述連接體材料層結(jié)合，且該結(jié)合在水溶液中不可逆。連接體分子與導(dǎo)電溝道102的結(jié)合及連接體分子與含G堿基的DNA單鏈300的結(jié)合兩者之間互不沖突。導(dǎo)電溝道102表面的官能團與連接體分子的官能團反應(yīng)之后形成共價鍵從而將連接體分子固定連接到導(dǎo)電溝道102表面，形成的共價鍵優(yōu)選為Si-O-Si。連接體材料層200的厚度優(yōu)選為2nm至5nm。連接體分子可以是表面修飾劑，例如3-氨基丙基三乙氧基硅烷(3-Aminopropyltriethoxysilane,APTS)。APTS分子含有化學(xué)性質(zhì)不同且具有兩親性的兩種基團：一種基團為硅烷基，可以與硅表面的羥基發(fā)生共價化學(xué)反應(yīng)，形成共價鍵從而將連接體分子APTS固定連接在導(dǎo)電溝道102表面；另一種基團為極性氨基基團，可以與帶有特定官能團的含G堿基的DNA單鏈300發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而將半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道102與含G堿基的DNA單鏈300這兩種性質(zhì)不同的材料通過共價鍵牢牢結(jié)合在一起。

含G堿基的DNA單鏈300末端具有可以與連接在導(dǎo)電溝道102表面上的連接體分子自由端共價結(jié)合的官能團，優(yōu)選為氨基末端或者巰基末端。優(yōu)選的，含G堿基的DNA單鏈長度為15個至20個堿基長度。更優(yōu)選的，在含G堿基的DNA單鏈中G堿基的數(shù)量占總堿基數(shù)量的百分比為60％至80％。

本發(fā)明實施例還提供一種場效應(yīng)管傳感器的制造方法，包括：

S110，提供場效應(yīng)晶體管100，該場效應(yīng)晶體管100包括半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道102；

S120，對導(dǎo)電溝道102預(yù)處理，使導(dǎo)電溝道102表面具有用于與連接體材料層200連接的官能團；

S130，在導(dǎo)電溝道102上形成連接體材料層200；

S140，提供末端修飾的含G堿基的DNA單鏈300；以及

S150，將含G堿基的DNA單鏈300經(jīng)過修飾的末端與連接體材料層200固定連接。

在其中一個實施例中，步驟S110包括：在n型硅基底上選擇兩個區(qū)域注入三價元素，優(yōu)選為硼元素。注入的三價元素使該區(qū)域形成重摻雜的p型源極和漏極，源極和漏極之間的導(dǎo)電溝道102中的感生空穴1022濃度可隨鉛離子與含G堿基的DNA單鏈間的作用而改變。

在步驟S120中，可以采用化學(xué)法或者等離子體處理等方法對導(dǎo)電溝道102進行預(yù)處理，使導(dǎo)電溝道102表面接枝有用于與連接體材料層200連接的官能團，例如Si-H或者Si-OH。優(yōu)選為使用體積比為3:1的濃硫酸與雙氧水溶液清洗場效應(yīng)晶體管100的半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道102，清除半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道102表面的有機物質(zhì)，同時在半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道102表面形成羥基，以用于后續(xù)的修飾。

在步驟S130中，如果使用的連接體分子為APTS，優(yōu)選的，進一步包括對連接在導(dǎo)電溝道102表面上的APTS分子的自由端進行處理使其具有活性官能團，以方便后期與含G堿基的DNA單鏈300的連接。優(yōu)選的，利用戊二醛進行處理。戊二醛分子兩端均為醛基，其中一端的醛基與APTS分子自由端的氨基發(fā)生鍵合反應(yīng)，另一端的醛基形成新的自由端，用于連接生物分子，如末端修飾的含G堿基的DNA單鏈。更優(yōu)選的，進一步包括熱處理步驟，提高硅烷層的縮合度，從而提高APTS連接層在水溶液中的穩(wěn)定性，熱處理溫度優(yōu)選為200℃至500℃。

在步驟S150中，使用DNA處理液對連接體材料層200進行處理，如浸泡。DNA處理液包括末端修飾的含G堿基的DNA單鏈300。末端修飾的含G堿基的DNA單鏈300與連接體材料層200固定連接，形成固液敏感界面，末端修飾的含G堿基的DNA單鏈300單端通過連接體材料層200固定在導(dǎo)電溝道102附近。使用DNA處理液對連接體材料層200進行處理的反應(yīng)時間優(yōu)選大于4小時。DNA處理液的pH值優(yōu)選在6.8至7.4之間，在此范圍內(nèi)進行反應(yīng)，可以使處于溶液中的DNA分子帶負電，便于檢測；DNA處理液的離子強度可以在10mM至150mM之間，優(yōu)選設(shè)置在幾十毫摩爾每升的水平，可以屏蔽天然水體或其他被測水樣中可能存在的復(fù)雜干擾物。DNA處理液中末端修飾的含G堿基的DNA單鏈300濃度優(yōu)選在0.1μM至10μM之間，在此范圍內(nèi)，既可以保證一定的反應(yīng)速率，節(jié)約時間；又可以避免由于含G堿基的DNA單鏈300過多造成不必要的浪費。末端修飾的含G堿基的DNA單鏈300分子的濃度優(yōu)選為1μM。

請參閱圖4，使用原子力顯微鏡觀察場效應(yīng)晶體管100的導(dǎo)電溝道102表面的形貌狀態(tài)。圖4中a、b及c分別顯示的是修飾操作前、完成連接體分子的固定及完成末端修飾的含G堿基的DNA單鏈300固定的場效應(yīng)晶體管100的導(dǎo)電溝道102表面的形貌狀態(tài)。當導(dǎo)電溝道102表面連接有其他物質(zhì)后高度會發(fā)生變化。圖a中顯示修飾操作前導(dǎo)電溝道102表面具有很高的平整度；完成連接體分子的固定后，如圖4b所示，導(dǎo)電溝道102的表面形貌出現(xiàn)變化，相較于修飾操作前具有一定的高度，表明有連接體分子被固定到導(dǎo)電溝道102的表面；完成末端修飾的含G堿基的DNA單鏈300的固定后，如圖4c所示，導(dǎo)電溝道表面的形貌進一步變化，高度進一步增加，相對于修飾操作前高度上升了大約3nm，表明末端修飾的含G堿基的DNA單鏈300通過連接體材料層200固定在了導(dǎo)電溝道102的附近。

本發(fā)明還提供一種檢測溶液中鉛離子含量的方法，具體包括：

S210，提供場效應(yīng)傳感器10；

S220，使用場效應(yīng)傳感器10制作鉛離子溶液的標準曲線；

S230，對待測溶液進行預(yù)處理，固定待測溶液的pH值及離子強度；

S240，使用場效應(yīng)傳感器10檢測預(yù)處理的待測溶液，并獲取場效應(yīng)傳感器10的響應(yīng)信號；以及

S250，計算待測溶液中的鉛離子濃度。

在步驟S220中，在一致的電氣條件(含柵源電壓和漏源電壓)下，獲取場效應(yīng)傳感器10的響應(yīng)信號與鉛離子濃度之間的關(guān)系，作為同批次場效應(yīng)傳感器10器件對溶液中鉛離子含量的標準曲線。響應(yīng)信號可以為電流或者電導(dǎo)率。以響應(yīng)信號為Y軸，對應(yīng)的標準溶液中鉛離子的濃度為X軸，擬合得到鉛離子溶液的標準曲線，并得到標準曲線方程式。

在步驟S230中，稀釋待測溶液，使待測溶液的pH值在6.8至7.4之間，使處于溶液中的DNA分子帶負電，便于檢測；離子強度在10mM至150mM之間，可以屏蔽天然水體或其他被測水樣中可能存在的復(fù)雜干擾物，優(yōu)選設(shè)置在幾十毫摩爾每升的水平。

在步驟S240中，在與獲取標準曲線時一致的電器條件(含柵源電壓和漏源電壓)下，將預(yù)處理后的待測溶液注入導(dǎo)電溝道102表面，并獲取場效應(yīng)傳感器10的響應(yīng)信號。

在步驟S250中，將獲取的響應(yīng)信號值代入標準曲線方程式，可得到一個有關(guān)鉛離子的濃度含量，再乘以步驟S230中稀釋的倍數(shù)，計算出待測溶液中鉛離子的含量。

該場效應(yīng)傳感器10操作便捷，體積小，便于移動和攜帶，可以根據(jù)實際需要隨時隨地的進行檢測；操作簡單，檢測周期短，可以大規(guī)模應(yīng)用。

實施例1場效應(yīng)傳感器10的制作

S110，提供硅基場效應(yīng)晶體管，使用n形硅晶圓，選擇兩個區(qū)域注入硼元素，形成重摻雜的p型源極和漏極。

S120，使用體積比為3:1的濃硫酸與雙氧水的混合液，清洗硅基場效應(yīng)晶體管表面形成羥基懸掛鍵。

S130，將制作好的硅基場效應(yīng)晶體管在體積比為2％的APTS甲苯溶液中浸泡30分鐘或以上，然后使用乙醇快速清洗，再在200℃條件下烘干30分鐘，烘干時間不超過1小時。APTS中硅氧烷一端與羥基懸掛鍵發(fā)生共價作用，將連接體分子APTS牢固固定在導(dǎo)電溝道102表面。烘干后使用4％體積分數(shù)的戊二醛水溶液浸泡1小時，然后用去離子水清洗干凈。

S140，提供末端氨基修飾的含G堿基的DNA單鏈300。

S150，將含G堿基的DNA單鏈300經(jīng)過修飾的氨基末端與連接體材料層200固定連接，包括：

S152，配制緩沖液，緩沖液的pH值為7.2，含4-羥乙基哌嗪乙磺酸和NaNO₃各50mM，總離子強度約50mM；

S154，在緩沖液中添加經(jīng)過末端修飾的含G堿基的DNA單鏈分子，濃度為1μM；

S156，將添加有末端氨基修飾的含G堿基的DNA單鏈300的緩沖液添加到導(dǎo)電溝道102表面，反應(yīng)5小時。含G堿基的DNA單鏈300通過末端氨基的偶聯(lián)作用與APTS分子形成不可逆的共價結(jié)合，從而將末端修飾的含G堿基的DNA單鏈300單端固定在導(dǎo)電溝道102附近。

實施例2使用場效應(yīng)傳感器10檢測待測溶液中鉛離子的含量

S210，提供一種場效應(yīng)傳感器10。

S220，使用該效應(yīng)傳感器10制作鉛離子溶液的標準曲線，包括：

S222，配制緩沖液，緩沖液的pH值為7.2，含4-羥乙基哌嗪乙磺酸和NaNO₃各50mM，總離子強度約50mM；

S224，首先使用緩沖液配制濃度為500μg/L的鉛離子標準溶液作為儲液，然后經(jīng)過計算，使用適量的緩沖液稀釋儲液，最終得到一組鉛離子濃度分別為0,50ng/L,100ng/L,1μg/L,5μg/L,10μg/L,200μg/L,500μg/L的標準溶液；

S226，分別對配制好的各濃度的鉛離子的標準溶液進行檢測，濃度依次從低到高。在一致的電器條件(含柵源電壓和漏源電壓)下，將含鉛離子的標準溶液注入到制造好的場效應(yīng)傳感器10的半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道102表面，用萬用表測場效應(yīng)傳感器10電導(dǎo)率的變化，注入的含鉛離子的的標準溶液中鉛離子的濃度從低到高。取各濃度500秒后輸出的穩(wěn)定的電導(dǎo)率相對于鉛離子濃度為0時的電導(dǎo)率的變化作為場效應(yīng)傳感器10的響應(yīng)信號，獲得場效應(yīng)傳感器10電導(dǎo)率變化對應(yīng)于鉛離子濃度的關(guān)系；

S228，以電導(dǎo)率的變化為Y軸，對應(yīng)的標準溶液的鉛離子的濃度為X軸，將各響應(yīng)信號經(jīng)飽和信號歸一化得到如圖5所示的結(jié)果，然后對圖5中的各數(shù)據(jù)點進行非線性回歸得到標準曲線:

式中，R為歸一化電導(dǎo)率變化，c為鉛離子濃度。圖5中標準曲線覆蓋的鉛離子濃度范圍為0μg/L至500μg/L，且回歸優(yōu)度理想，R²＝0.956。此外，根據(jù)標準曲線在鉛離子濃度較低時的響應(yīng)值及對實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，依據(jù)“3σ”準則，器件對鉛離子可分辨的最低濃度優(yōu)于1μg/L，如圖6所示。

結(jié)果顯示，場效應(yīng)傳感器10的響應(yīng)值與鉛離子濃度之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，當鉛離子濃度高于10μg/L的時候，響應(yīng)值開始出現(xiàn)比較明顯的飽和現(xiàn)象。

S230，使用步驟S222中配制的緩沖液稀釋待測溶液，使待測溶液的pH值及離子強度與步驟S224中鉛離子標準溶液基本相同。

S240，在與獲取標準曲線時一致的電器條件(含柵源電壓和漏源電壓)下，將待測溶液注入到制造完成的場效應(yīng)傳感器10的硅基半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道102表面，用萬用表測場效應(yīng)傳感器10電導(dǎo)率的變化，取500秒后輸出的穩(wěn)定的電導(dǎo)率相對于鉛離子濃度為0時的電導(dǎo)率變化作為場效應(yīng)傳感器10的響應(yīng)信號。

S250，將檢測到的電導(dǎo)率變化帶入S228中得到的標準曲線方程，得到一個鉛離子的濃度含量，乘以S230中稀釋的倍數(shù)，得到待測溶液的鉛離子的濃度含量。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。