基于二维纳米材料场效应晶体管生物传感器的研制与应用

发布时间：2017-04-17 16:28

  本文关键词：基于二维纳米材料场效应晶体管生物传感器的研制与应用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：临床实验室使用的检测设备越来越集成化、自动化,并且智能化水平越来越高,但是仍然面临着仪器操作复杂、试剂成本昂贵、分析时间长、灵敏度不够高及不适合床旁化检测等缺点。因此,发展一种简单、廉价、快速、准确的床旁化检测平台是十分必要的。生物传感器,由于其操作简单、廉价、检测快速、灵敏度高、集成小巧等优势,已经被广泛运用于疾病的诊断及生命科学领域的相关研究。基于纳米材料的场效应晶体管(field effect transistor,FET)生物传感器,在生物分子检测方面具有灵敏度和特异性高、分析速度快、免标记、操作简单等特点,并且能够与集成电路兼容,实现高通量的检测。基于纳米材料的场效应晶体管之所以有如此多的优势,主要得益于纳米材料的独特优势,如纳米材料中的石墨烯具有高的电子迁移率,高体表比,低噪音,良好的生物相容性,稳定性等。纳米材料二硫化钼除具备石墨烯的优势外,它的带隙特征能够提高传感器的检测性能,最重要的是其还具有催化特性。本文将纳米材料石墨烯和二硫化钼与场效应晶体管结合构建基于纳米材料的生物传感器并探讨该生物传感器在检测生物分子方面的应用。通过定向转移法构建单层石墨烯场效应晶体管,该方法简单、快速、廉价,实现了对DNA高灵敏高特异性的检测。采用超声剥离法制备二硫化钼,并用滴涂法层层组装还原氧化石墨烯和二硫化钼(molybdenum disulfide,MoS2)构建场效应晶体管传感器。利用二硫化钼特异的催化特性检测细胞中释放的过氧化氢。具体内容如下:第一章:定向转移法制备石墨烯场效应晶体管DNA生物传感器按照标准的微加工工艺制备场效应晶体管器件,通过化学气相沉积法(chemical vapor deposition,CVD)制备单层石墨烯,将石墨烯剪很小的片段(1?1mm2),在溶液中直接定向转移到已经制备好的场效应晶体管传感阵列处即得到石墨烯场效应晶体管,该方法实现了简单、快速、廉价制备高质量的石墨烯场效应晶体管。将电中性的肽核酸(peptidenucleicacid,pna)通过1-芘丁酸-琥珀酰亚胺酯(1-pyrenebutanoicacidsuccinimidylester,pase)固定在石墨烯表面。通过检测pna-dna杂交前后狄拉克点的变化可实现dna的检测。研究结果显示,该传感器的检测限低至10fmol/l,比本课题组之前报道的灵敏度更高。主要原因是在本工作中使用了单层的石墨烯。另外,该石墨烯场效应晶体管生物传感器还能够区分互补dna、非互补dna和单碱基错配的dna,表现出高的特异性。同时,结果表明该传感器还能够被重复使用。综上所述,通过定向转移法制备的石墨烯场效应晶体管dna生物传感器,不仅方法简单、检测快速、价格低廉,而且灵敏度和特异性也很高。该方法提供了一种制备石墨烯场效应晶体管dna生物传感器的新方法第二章:基于过渡金属硫化物的石墨烯场效应晶体生物传感器检测细胞释放的过氧化氢分别采用肼化学还原氧化石墨烯(grapheneoxide,go)制备得到还原的氧化石墨烯(reducedgrapheneoxide,r-go)和超声液相剥离方法制备二硫化钼(mos2)纳米片。将制备好的rgo滴涂在器件的传感阵列表面,构建rgo场效应晶体管。然后将mos2采用同样的方法滴涂在rgo表面上,构建mos2-rgo场效应晶体管。利用二硫化钼纳米片特异的催化特性可直接检测从细胞中释放的过氧化氢(hydrogenperoxide,h2o2)。该传感器具有对过氧化氢的响应速度特别快(1s)的优点。同时,实验结果显示该传感器的检测限为100fmol/l,明显低于其它检测方法所得到的检出限。除此以外,还发现该传感器对过氧化氢的检测也表现出了高的特异性。相信研制的新方法将为与过氧化氢相关的疾病检测提供一种新的技术。
【关键词】：生物传感器 场效应晶体管 石墨烯 二硫化钼 DNA 过氧化氢 检测
【学位授予单位】：湖北中医药大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN386;TP212
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-11
• 缩略词表11-12
• 前言12-16
• 第一章 定向转移法制备基于化学气相沉积法石墨烯场效应晶体管DNA生物传感器16-33
• 1 引言16-19
• 2 实验部分19-22
• 2.1 实验仪器与试剂19-20
• 2.2 化学气象沉积法生长石墨烯20
• 2.3 定向转移法制备石墨烯场效应晶体管20-21
• 2.4 石墨烯器件的功能化21-22
• 2.5 PNA-DNA杂交22
• 2.6 电学信号的检测22
• 2.7 表征22
• 3 结果与讨论22-32
• 3.1 器件结构的表征22-23
• 3.2 石墨烯质量的表征23-25
• 3.3 传感器电学性能的表征25-27
• 3.4 检测原理27-28
• 3.5 传感器的选择性28-29
• 3.6 传感器的灵敏度29-31
• 3.7 传感器的差异性31
• 3.8 传感器的重复使用31-32
• 4 结论32-33
• 第二章 基于过渡金属硫化物的石墨烯场效应晶体检测细胞释放的过氧化氢33-44
• 1 引言33-34
• 2 实验部分34-36
• 2.1 仪器与试剂34-35
• 2.2 二硫化钼纳米片的制备35
• 2.3 MoS2-RGO场效应晶体管的构建35-36
• 2.4 电学检测36
• 2.5 细胞培养36
• 2.6 表征仪器36
• 3 结果与讨论36-42
• 3.1 材料表征36-39
• 3.2 器件性能表征39
• 3.3 检测原理39
• 3.4 检测灵敏度39-40
• 3.5 检测特异性40-41
• 3.6 实时检测从细胞中释放的过氧化氢41-42
• 4 结论42-44
• 结语44-45
• 参考文献45-57
• 附录1 综述 基于石墨烯场效应晶体管生物传感器在疾病诊断中的应用57-70
• 参考文献66-70
• 附录2 攻读硕士学位期间的科研论文及学术交流获奖情况70-71
• 致谢71

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