專利名稱：基于碳納米管的生物傳感器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物傳感器的研制領(lǐng)域，具體涉及一種基于碳納米管的生物傳感器的制備方法。
背景技術(shù)：
納電子器件是目前納米科技領(lǐng)域最熱門的研究方向之一。近年來相繼成功研制了基于一維納米材料(碳納米管、納米線等)的納電子器件及其電路，盡管納電子器件研究尚未成熟，器件及其集成距離實(shí)用化仍有很長(zhǎng)一段距離，但單個(gè)納電子器件制備并不困難、性能穩(wěn)定、可重復(fù)性好，且由于其尺度小、對(duì)外界的電、光、磁等響應(yīng)敏感，故在高靈敏度的生物傳感器領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。哈佛大學(xué)的C.M.Lieber和斯坦福大學(xué)的H.J.Dai等的研究小組相繼在這方面開展了開拓性的研究工作并取得了重要進(jìn)展，他們用硅納米線或碳納米管實(shí)現(xiàn)了生物大分子(蛋白質(zhì)、病毒等)的傳感(F.Patolsky，G.F.Zheng & O.Hayden et al.，PNAS，vol.101，14017-14022，2004；R.J.Chen，S.Bangsaruntip & K.A.Drouvalakis et al.，PNAS，vol.100，4984-4989，2003)。也有研究小組嘗試?yán)霉杓{米線檢測(cè)DNA序列(Z.Li，Y.Chen & X.Li et al.，Nano Lett.，Vol.4，NO.2，245-247，2004)，將硅納米線器件暴露在含MPTMS(3-mercaptopropyltrimethoxysilane)的氬氣氣氛中，待一段時(shí)間后可在硅納米線表面上修飾一層硫醇，若在單鏈DNA的5’端修飾acrylic phosphoramidite，即可將此單鏈DNA連接到硅納米線上，如果被檢測(cè)溶液中含有與硅納米線表面的單鏈DNA互補(bǔ)的單鏈DNA，則堿基互補(bǔ)配對(duì)過程會(huì)明顯改變硅納米線器件的電導(dǎo)；如果配對(duì)是非互補(bǔ)的DNA，則器件的電導(dǎo)變化甚微，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定序列DNA的檢測(cè)。但該發(fā)明中為了使DNA吸附在硅納米線表面，須預(yù)先修飾硫醇和單鏈核苷酸，工藝復(fù)雜，且操作不慎易引入異物影響檢測(cè)精度。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明選用碳納米管，提供一種制備基于碳納米管的納米生物傳感器的方法。
一種基于碳納米管的納米生物傳感器的制備方法，步驟包括1)制備微米或納米尺度的金屬電極；2)利用單鏈DNA堿基中含氮的芳香族環(huán)和碳納米管壁的碳六元環(huán)中的π鍵之間發(fā)生堆垛作用，制得碳納米管和單鏈DNA的螺旋復(fù)合結(jié)構(gòu)；3)將碳納米管和單鏈DNA的螺旋復(fù)合結(jié)構(gòu)搭接在金屬電極對(duì)上構(gòu)成納米生物傳感器。
通過微加工技術(shù)中的光刻和剝離技術(shù)制得金屬電極，其中相對(duì)電極的間距控制在350nm～2μm，相鄰電極的間距在250-500nm范圍。
單鏈DNA的序列為已知的，長(zhǎng)度范圍為幾十到一百個(gè)堿基對(duì)。
將含碳納米管和單鏈DNA的溶液混合并進(jìn)行超聲處理，形成碳納米管和單鏈DNA的螺旋型復(fù)合結(jié)構(gòu)。
將所獲得的碳納米管和單鏈DNA的螺旋型復(fù)合結(jié)構(gòu)利用物理或化學(xué)的方法搭接在金屬電極對(duì)上，獲得檢測(cè)DNA序列的傳感器件。
本發(fā)明具有如下特點(diǎn)碳納米管電學(xué)輸運(yùn)特性對(duì)其表面結(jié)構(gòu)非常敏感，在碳納米管和單鏈DNA的螺旋復(fù)合結(jié)構(gòu)器件中，若吸附、配對(duì)與其單鏈DNA互補(bǔ)的或非互補(bǔ)的DNA，可使該器件呈現(xiàn)不同的電學(xué)特性，通過監(jiān)測(cè)其電學(xué)特性的變化即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定序列DNA的檢測(cè)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與技術(shù)效果現(xiàn)有的DNA傳感器需預(yù)先對(duì)納米結(jié)構(gòu)材料和單鏈DNA分別進(jìn)行化學(xué)修飾才能將兩者連接在一起，工藝復(fù)雜、成本高，不易操作。而本發(fā)明只需要將碳納米管和單鏈DNA溶液混合并進(jìn)行超聲處理，即可獲得碳納米管和DNA的螺旋復(fù)合結(jié)構(gòu)，操作簡(jiǎn)單、成本低，易于批量生產(chǎn)，若推向市場(chǎng)，有可能作為一次性使用傳感器件。
其次，與報(bào)道的DNA傳感器相比，本發(fā)明可提高靈敏度。在背景技術(shù)所敘的DNA傳感器中，單鏈DNA是連接在碳納米管或硅納米線上，而且兩者之間通過第三種材料相連。而本發(fā)明中單鏈DNA螺旋直接纏繞在碳納米管表面，其電學(xué)特性變化將更加敏感，從而提高靈敏度。
本發(fā)明通過碳納米管和單鏈DNA的螺旋復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了特定序列單鏈DNA的檢測(cè)。與之前所報(bào)道的各種DNA傳感器相比，本發(fā)明具有制作工藝簡(jiǎn)單、器件結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。


圖1(a)為本發(fā)明的生物傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1(b)為圖1(a)中紅框的放大圖；圖2為生物傳感器件的掃描電鏡照片(其中包含若干對(duì)電極)。
具體實(shí)施例方式
1、電極設(shè)計(jì)與制備設(shè)計(jì)微米尺度的金屬電極，設(shè)計(jì)其寬度為2μm，相對(duì)電極的間距為2μm，相鄰電極的間距約為500nm。在P型重?fù)诫s的硅襯底上熱氧化生長(zhǎng)300nm厚的二氧化硅用作絕緣層，利用光刻和剝離工藝制備金屬電極，其過程是甩膠光刻、曝光和顯影；然后濺射沉積金屬，去膠和剝離，即可獲得金屬電極，電極材料為Ti/Au(10nm/100nm)。
2、形成碳納米管和單鏈DNA的螺旋復(fù)合結(jié)構(gòu)將單鏈DNA溶于去離子水中(電阻率為18MΩ·cm)，濃度為20μM；碳納米管溶于二甲基甲酰胺(DMF)中，其濃度為0.1mg/ml。將碳納米管溶液和單鏈DNA溶液以4∶1的比例混合，單鏈DNA的序列為已知，長(zhǎng)度范圍為幾十到一百個(gè)堿基對(duì)?；旌先芤涸谑覝叵鲁?50分鐘(超聲功率為200W)進(jìn)行超聲處理，即可使單鏈DNA纏繞在碳納米管的表面，形成碳納米管和單鏈DNA的螺旋型復(fù)合結(jié)構(gòu)。
3、將所獲得螺旋型復(fù)合結(jié)構(gòu)的碳納米管和單鏈DNA搭接在金屬電極上形成納電子器件；將含有碳納米管和單鏈DNA的螺旋復(fù)合結(jié)構(gòu)的溶液滴在電極上，通過在金屬電極兩端施加電壓(0.5-5Vpp)、頻率(1-10MHz)的交流電，利用介電電泳力可直接將碳納米管搭接在電極上，制得所需的傳感器件。
4、識(shí)別待檢測(cè)的特定序列單鏈DNA將含有待檢測(cè)單鏈DNA的溶液(溶劑為去離子水，電阻率為18MΩ·cm)滴在上述器件上，并同步檢測(cè)器件電學(xué)特性的變化，如果被檢測(cè)溶液中所含的單鏈DNA與該復(fù)合結(jié)構(gòu)中的單鏈DNA互補(bǔ)，則它將會(huì)引起器件電學(xué)特性的變化；否則，器件的電學(xué)特性不會(huì)有明顯的變化，通過這種方式即實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定序列DNA的檢測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種基于碳納米管的納米生物傳感器的制備方法，步驟包括(1)制備微米或納米尺度的金屬電極；(2)利用單鏈DNA堿基中含氮的芳香族環(huán)和碳納米管壁的碳六元環(huán)中的π鍵之間發(fā)生堆垛作用，制得碳納米管和單鏈DNA的螺旋復(fù)合結(jié)構(gòu)；(3)將碳納米管和單鏈DNA的螺旋復(fù)合結(jié)構(gòu)利用物理或化學(xué)的方法搭接在金屬電極對(duì)上構(gòu)成納米生物傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述的基于碳納米管的納米生物傳感器的制備方法，其特征在于采用微加工技術(shù)中的光刻和剝離技術(shù)制得金屬電極，其中正負(fù)電極的間距控制在350nm～2μm，相鄰電極的間距在250nm-500nm范圍。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于碳納米管的納米生物傳感器的制備方法，其特征在于將碳納米管和單鏈DNA混合的溶液進(jìn)行超聲處理，形成碳納米管和單鏈DNA的螺旋型復(fù)合結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的基于碳納米管的納米生物傳感器的制備方法，其特征在于通過在金屬電極兩端施加一定頻率和電壓的交流電，利用介電電泳力將碳納米管和單鏈DNA的螺旋復(fù)合結(jié)構(gòu)搭接在金屬電極對(duì)上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于碳納米管的生物傳感器的制備方法。屬于生物傳感器制備領(lǐng)域。該方法利用單鏈DNA堿基中含氮的芳香族環(huán)和碳納米管壁的碳六元環(huán)中的π鍵之間發(fā)生堆垛作用，將單鏈DNA與碳納米管形成的螺旋形復(fù)合結(jié)構(gòu)搭接在金屬電極上，構(gòu)成生物傳感器。該生物傳感器可以實(shí)現(xiàn)DNA的序列識(shí)別，鑒別完全互補(bǔ)或非互補(bǔ)的單鏈DNA。本發(fā)明具有制作工藝簡(jiǎn)單、器件結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C12Q1/68GK1844907SQ200610011860
公開日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月9日
發(fā)明者王川, 傅云義, 洪龍, 瞿禮嘉, 張興, 黃如 申請(qǐng)人:北京大學(xué)