CN101430303A - 一种单层功能膜脲酶生物传感器芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
涉及单层功能膜脲酶生物传感器芯片制备方法，在离子敏场效应晶体管的第一延长栅和参比场效应晶体管的第二延长栅上，采用电化学聚合法制备具有接近能斯特响应的pH敏感聚吡咯层及聚吡咯－脲酶层，使其同时具有固定脲酶载体材料和pH敏感材料两种功能，用于检测由脲酶催化待测溶液中的尿素而引起的pH变化。生物传感器芯片包括：聚吡咯－脲酶复合层用于将离子敏场效应晶体管、参比场效应晶体管及准参比电极构成生物传感器芯片。本发明实现聚吡咯层用于载体与敏感材料的功能，解决电位型脲酶生物传感器中载体层与敏感层分立的问题，减少工艺步骤，降低生产成本，获得较高灵敏度和良好的稳定性，建立场效应晶体管型生物芯片功能膜研究的技术平台。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种新型生物芯片后续工艺研究的方法，特别涉及生物功能膜的设计方法。
背景技术
人们对生物传感器研究已经有半个多世纪的历史，实现了多种原理及功能的生物传感器。生物传感器主要包括换能器和生物功能膜两部分，其中生物功能膜的设计会因换能器的不同而不同。各类换能器均有自己的优点。相比较而言，半导体结构的离子敏场效应晶体管换能器，即离子敏场效应晶体管，具有体积小、输入阻抗高且输出阻抗低、响应快、全固态等多方面的优势，在生物医学、环境监测、工业生产等各个领域得到广泛应用。传统的离子敏场效应晶体管型生物传感器结构是将MOSFET(metallic oxidesemiconductor field effect transistor，金属-氧化物-半导体场效应晶体管)的金属栅极去除，仅保留二氧化硅(SiO2)层，通过在其上淀积离子敏感薄膜和生物功能膜而制成的。测试时，生物膜要与待测液直接接触，产生相应的生物化学反应，导致溶液中的离子浓度发生变化，而这种变化可以通过生物膜下面的离子敏感膜感知并检测，从而引起离子敏场效应晶体管器件阈值电压发生相应的改变。这样就可以通过检测离子敏场效应晶体管的沟道电流的变化来检测所测离子的浓度，从而可以间接计算出溶液中待测物的浓度。
目前，在生物膜中固定的生物物质有多种，如各种酶、抗原、抗体、细胞等，利用它们可以特异地检测相应的生物物质。而酶的主要功能是催化其它生物物质，发生生物或化学反应，其自身在反应前后通常不会改变。在各种酶传感器中，检测的对象不是酶所能识别、催化的生物物质，而是该生物物质经酶催化反应后的生成物。对于脲酶传感器而言，通常是检测尿素经脲酶经催化分解后引起的溶液NH4 +浓度或pH值变化情况。
在电位型脲酶传感器中，尤其是在离子敏场效应晶体管型脲酶传感器中，功能膜的制备方法有多种，如吸附法、包埋法、共价键合法、交联法和微胶囊法等方法。用于生物功能膜的材料也有多种。在目前的传感器结构中，功能膜均是由载体材料、敏感材料和生物物质共同构成。这种载体材料和敏感材料的不同，导致传感器后续工艺复杂、一致性变差、成本较高和周期较长。而且大多数材料难以实现在确定的形状区域内生长，不利于传感器的批量加工，难以保证批内和批间的一致性。
发明内容
为了解决现有技术电位型脲酶生物传感器中载体层与敏感层分立的问题，本发明的目的是利用聚吡咯膜，同时用于生物物质的载体和生物敏感材料，为此，本发明提出一种单层功能膜脲酶生物传感器芯片及制备方法。
为了实现所述目的，本发明的一方面，提供一种单层功能膜脲酶生物传感器芯片，其技术方案包括：离子敏场效应晶体管和参比场效应晶体管之间通过三个场氧化层隔离；
在离子敏场效应晶体管中具有第一延长栅，第一延长栅上有一聚吡咯-脲酶层，聚吡咯-脲酶层中的聚吡咯同时具有载体和敏感材料两种功能；
在参比场效应晶体管中具有第二延长栅，第二延长栅生长有聚吡咯层；
具有一准参比电极位于离子敏场效应晶体管的第一延长栅和参比场效应晶体管的第二延长栅之间组成差分结构的栅区。
根据本发明的实施例，所述聚吡咯-脲酶层是含有生物物质脲酶。
根据本发明的实施例，所述离子敏场效应晶体管的第一延长栅的结构为聚吡咯-脲酶层、第一铂层和第一铝层，即为在第一延长栅的最上层有聚吡咯-脲酶层，在聚吡咯-脲酶层下有第一铂层，在第一铂层下有第一铝层。
根据本发明的实施例，所述参比场效应晶体管第二延长栅的结构为聚吡咯层、第二铂层和第二铝层，即为在第二延长栅的最上层有聚吡咯层，在聚吡咯层下有第二铂层，在第二铂层下有第二铝层。
为了实现所述目的，本发明的另一方面，提供一种生物传感器芯片的制备方法，其技术方案如下：
步骤1：由标准CMOS工艺在加工芯片时，在离子敏场效应晶体管的第一延长栅、参比场效应晶体管第二延长栅和在准参比电极处沉积铝层；
步骤2：采用磁控溅射法在离子敏场效应晶体管的第一延长栅、参比场效应晶体管第二延长栅和在准参比电极处沉积生长铂层；
步骤3：在离子敏场效应晶体管的第一延长栅的最上层，通过电化学法聚合生长得到具有接近能斯特响应的pH敏感聚吡咯-脲酶层，使聚吡咯-脲酶层中的聚吡咯同时具有载体和敏感材料两种功能；
步骤4：在参比场效应晶体管第二延长栅的最上层，通过电化学法聚合生长得到聚吡咯层，且该聚吡咯层具有接近能斯特响应的pH敏感特性。
根据本发明的实施例，所述聚吡咯-脲酶层中含有生物物质脲酶。
根据本发明的实施例，所述离子敏场效应晶体管的第一延长栅的结构为第一聚吡咯-脲酶层/第一铂层/第一铝层，其中第一铝层由标准CMOS工艺在加工离子敏场效应晶体管芯片时沉积，第一铂层采用磁控溅射法沉积生长。
根据本发明的实施例，所述的聚吡咯-脲酶层制备步骤为：
步骤11：将结晶的脲酶溶解于去离子水中，配制成20mg/ml的单体吡咯溶液；
步骤12：将脲酶溶液与上一步配制的单体吡咯溶液按体积比1:9的比例进行混合，得到pH值为7.4、单体吡咯浓度为0.09mol/l、脲酶浓度为2mg/ml的溶液；
步骤13：在-0.05V～0.75V电压范围内，采用双电极循环伏安法，以离子敏场效应晶体管的第一延长栅极连接电化学工作站的工作电极，以准参比电极连接电化学工作站的参比电极和对电极，在离子敏场效应晶体管的第一延长栅上生长聚吡咯-脲酶层。
根据本发明的实施例，所述参比场效应晶体管的第二延长栅的结构为聚吡咯层/第二铂层/第二铝层，其中第二铝层由标准CMOS工艺在加工离子敏场效应晶体管芯片时沉积，第二铂层采用磁控溅射法沉积生长。
根据本发明的实施例，所述聚吡咯层制备步骤为：
步骤21：以水为溶剂，以磷酸盐为电解质，配制成pH7.4的缓冲液；
步骤22：加入适量经过蒸馏提纯的单体吡咯，得到磷酸盐浓度为0.1mol/l、pH值为7.4、单体吡咯浓度为0.1mol/l的溶液；
步骤23：在-0.05V～0.75V电压范围内，采用双电极循环伏安法，以参比场效应晶体管的第二延长栅极连接电化学工作站的工作电极，以准参比电极连接电化学工作站的参比电极和对电极，在参比场效应晶体管的延长栅上生长聚吡咯层。
本发明的积极效果：本发明中采用电化学技术，在芯片栅区生长聚吡咯-脲酶生物功能膜和聚吡咯膜，其中聚吡咯-脲酶膜中的聚吡咯同时具有载体材料和敏感材料两种功能，解决了目前电位型脲酶生物传感器中载体层与敏感层分立的问题，用于检测由脲酶催化待测溶液中的尿素而引起的pH变化。采用该法研制的聚吡咯-脲酶功能膜，可广泛用于各类电位型生物传感器中，在生物医学、环境检测等领域具有广泛的应用价值。本发明减少工艺步骤，降低生产成本，获得较高的灵敏度和良好的稳定性，建立场效应晶体管型生物芯片功能膜研究的技术平台。
附图说明
图1为本发明中使用的生长有聚吡咯-脲酶膜及聚吡咯膜的离子敏场效应晶体管生化传感器芯片结构示意图。
图2为本发明生物传感器芯片的延长栅及准参比电极与压焊块连接的结构示意图。
图3为本发明离子敏场效应晶体管的延长栅的结构。
图4为本发明参比场效应晶体管的延长栅的结构。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1本发明中使用的生长有聚吡咯-脲酶层及聚吡咯层的离子敏场效应晶体管生物传感器芯片结构示意图所示，图2本发明生物传感器芯片的延长栅及准参比电极与压焊块连接的结构示意图所示：
图1中为离子敏场效应晶体管8、参比场效应晶体管9、以及准参比电极2构成差分结构的生物传感器芯片，用于检测由脲酶催化待测溶液中的尿素而引起的pH变化，其中：
离子敏场效应晶体管8包括：第一延长栅极1、第一源极81、第一漏极82和第一栅极83；第一延长栅极1包括：聚吡咯-脲酶层11、第一铂层12和第一铝层13；
准参比电极2包括：第三铂层21、第三铝层22；
参比场效应晶体管9包括：第二延长栅极3、第二源极91、第二漏极92、第二栅极93；
第二延长栅极3包括：聚吡咯层31第二铂层32、第二铝层33。
本发明提出了直接在离子敏场效应晶体管8的第一延长栅1和参比场效应晶体管9的第二延长栅3上电化学聚合单层生物功能膜的生物传感器后续工艺方法，设计了以聚吡咯层材料作为生物物质载体和敏感膜的结构，实现了以单层生物功能膜代替传统的双层生物功能膜的功能。
现结合图示进一步说明如下：
离子敏场效应晶体管8的第一延长栅极1与参比场效应晶体管9的第二延长栅极3之间有准参比电极2共同构成差分结构的电极部分。
在离子敏场效应晶体管8的第一延长栅1的第一铂层12上生长有一聚吡咯-脲酶层11，聚吡咯-脲酶层11是含有生物物质脲酶。聚吡咯-脲酶层11中的聚吡咯同时具有载体和敏感材料两种功能；
在参比场效应晶体管9的第二延长栅3的第二铂层32上生长有聚吡咯层31即为聚吡咯层；聚吡咯层31起钝化功能膜的作用。
在芯片衬底上具有并列有第一场氧化层7、第二场氧化层7和第三场氧化层7，起隔离场效应晶体管8和9的作用。
如图2本发明生物传感器芯片的延长栅及准参比电极与压焊块连接的结构示意图所示：
本发明所使用的传感器基础芯片部分是基于标准CMOS技术制备而成，离子敏场效应晶体管8和参比场效应晶体管9采用标准金属氧化物半导体场效应晶体管为n沟道增强型，离子敏场效应晶体管8和参比场效应晶体管9之间通过三个场氧化层7隔离。离子敏场效应晶体管8的第一延长栅1、准参比电极2、参比场效应晶体管9的第二延长栅3通过第一铝层13、第三铝层22和第二铝层33连接到芯片的第一压焊块4、第二压焊块5、第三压焊块6，构成可直接在芯片上进行电化学聚合的电极。
制备生物传感器芯片：
1、在离子敏场效应晶体管5的第一延长栅1的最上层，通过电化学法聚合生长得到具有接近能斯特响应的pH敏感聚吡咯-脲酶层11，使聚吡咯-脲酶层11中的聚吡咯同时具有载体和敏感材料两种功能；
2、在参比场效应晶体管9的第二延长栅2最上层，通过电化学法聚合生长得到聚吡咯层31，且该聚吡咯层31具有接近能斯特响应的pH敏感特性；
3、由标准CMOS工艺在加工芯片时，在离子敏场效应晶体管的第一延长栅1、第二延长栅3上沉积金属层铝层，在离子敏场效应晶体管的第一延长栅1、第二延长栅3上的金属层铂采用磁控溅射法沉积生长，作为离子敏场效应晶体管差分结构的准参比电极，为芯片提供稳定的工作点。
聚吡咯-脲酶层11及聚吡咯层31通过电化学法在离子敏场效应晶体管8的第一延长栅1或参比场效应晶体管9的第二延长栅3上聚合生成。生长聚吡咯-脲酶层11及聚吡咯层31前，首先以磁控溅射法在离子敏场效应晶体管8的第一延长栅1、参比场效应晶体管9的第二延长栅3及准参比电极2处淀积100nm厚的铂金属层为第一铂层12、第三铂层21、第二铂层32，聚合时，不需外接电极，
如图2所示，将图中离子敏场效应晶体管8的第一延长栅1或参比场效应晶体管9的第二延长栅3连接到电化学工作站的工作电极，将图中的准参比电极2连接到外接设备电化学工作站的对电极和参比电极。
聚吡咯材料是一种生物兼容的高分子材料，可以通过电化学的方法在特定区域聚合生长，而且可以在聚合的同时，加入生物物质，从而将生物物质包埋或共价键合在聚吡咯层内。由于聚合参数严重地影响着聚吡咯层的性质，如导电性、离子选择性、薄膜厚度等，因此，采用不同组份的单体吡咯溶液和不同的聚合工艺参数，可以得到不同性质的聚吡咯材料。本发明就是充分利用聚吡咯材料的生物兼容性、对pH的近能斯特响应特性，研究出以聚吡咯作为载体材料和敏感材料的生物功能层。
在离子敏场效应晶体管8的第一延长栅1区制备所述的聚吡咯-脲酶层11的步骤为：将结晶的脲酶溶解于去离子水中，配制成20mg/ml的的单体吡咯溶液；将脲酶溶液与上一步配制的单体吡咯溶液按体积比1:9的比例进行混合。得到pH值为7.4、单体吡咯浓度为0.09mol/l、脲酶浓度为2mg/ml的溶液。然后进行电化学聚合，在聚合电压-0.05V～0.75V电压范围内，扫描速率为50mV/s，扫描周期为5，聚合温度为4℃，采用双电极循环伏安法，
在参比场效应晶体管9的第二延长栅3区制备所述聚吡咯层31的制备步骤为：本发明在4℃下以去离子水为溶剂，以磷酸盐为电解质，配制成pH7.4的磷酸盐缓冲液，然后加入适量经过蒸馏提纯的单体吡咯，得到磷酸盐浓度为0.1mol/l、pH值为7.4、单体吡咯浓度为0.1mol/l的溶液。然后进行电化学聚合，聚合电压在-0.05V～0.75V电压范围内，扫描速率为50mV/s，扫描周期为5，聚合温度为4℃。采用双电极循环伏安法，以离子敏场效应晶体管8的第一延长栅极1连接电化学工作站的工作电极，以准参比电极2连接电化学工作站的参比电极和对电极，在参比场效应晶体管9的第二延长栅3上生长聚吡咯层31。
以离子敏场效应晶体管8的第一延长栅极1连接电化学工作站的工作电极，以准参比电极2连接电化学工作站的参比电极和对电极，在离子敏场效应晶体管8第一延长栅1上生长聚吡咯-脲酶层11。
在成功制备了聚吡咯层31和聚吡咯-脲酶层11后，结合芯片上的铂材料准参比电极2，共同构成离子敏场效应晶体管、参比场效应晶体管和准参比电极差分测试结构，离子敏场效应晶体管8和参比场效应晶体管9在准参比电极2的偏置下进行工作。
本发明提出的采用电化学法制备差分结构生物功能膜方法，在4℃下以水为溶剂制备具有接近能斯特响应的pH敏感聚吡咯层31及聚吡咯-脲酶层11，并用于芯片的后续加工中。得到聚吡咯层31及聚吡咯-脲酶层11后，即可将传感器芯片与外接电路相连，检测溶液中尿素的浓度。
如图3离子敏场效应晶体管8的第一延长栅1的结构所示，所述离子敏场效应晶体管8的第一延长栅1的结构为聚吡咯-脲酶层、第一铂层和第一铝层，即为在第一延长栅1的最上层有聚吡咯-脲酶层11，在聚吡咯-脲酶层11下有第一铂层12，在第一铂层12下有第一铝层13。其中第一铝层13由标准CMOS工艺在加工离子敏场效应晶体管芯片时沉积，第一铂层12采用磁控溅射法沉积生长。
如图4参比场效应晶体管9第二延长栅3的结构，所述参比场效应晶体管9的第二延长栅3的结构为聚吡咯层、第二铂层和第二铝层，即为在第二延长栅3的最上层有聚吡咯层31，在聚吡咯层31下有第二铂层32，在第二铂层32下有第二铝层33，其中第二铝层33由标准CMOS工艺在加工离子敏场效应晶体管芯片时沉积，第二铂层32采用磁控溅射法沉积生长。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (10)
1、一种单层功能膜脲酶生物传感器芯片，其特征在于，包括：离子敏场效应晶体管和参比场效应晶体管之间通过三个场氧化层隔离；
在离子敏场效应晶体管中具有第一延长栅，第一延长栅上有一聚吡咯-脲酶层，聚吡咯-脲酶层中的聚吡咯同时具有载体和敏感材料两种功能；
在参比场效应晶体管中具有第二延长栅，第二延长栅生长有聚吡咯层；
具有一准参比电极位于离子敏场效应晶体管的第一延长栅和参比场效应晶体管的第二延长栅之间组成差分结构的栅区。
2、根据权利要求1所述的生物传感器芯片，其特征在于，所述聚吡咯-脲酶层是含有生物物质脲酶。
3、根据权利要求1所述的生物传感器芯片，其特征在于，所述离子敏场效应晶体管的第一延长栅的结构为聚吡咯-脲酶层/第一铂层/第一铝层，即为在第一延长栅的最上层有聚吡咯-脲酶层，在聚吡咯-脲酶层下有第一铂层，在第一铂层下有第一铝层。
4、根据权利要求1所述的生物传感器芯片，其特征在于，所述参比场效应晶体管第二延长栅结构为聚吡咯层/第二铂层/第二铝层，即为在第二延长栅的最上层有聚吡咯层，在聚吡咯层下有第二铂层，在第二铂层下有第二铝层。
5、一种生物传感器芯片的制备方法，其特征在于：
步骤1：由标准互补金属氧化物半导体CMOS工艺在加工芯片时，在离子敏场效应晶体管的第一延长栅、参比场效应晶体管第二延长栅和在准参比电极处沉积铝层；
步骤2：采用磁控溅射法在离子敏场效应晶体管的第一延长栅、参比场效应晶体管第二延长栅和在准参比电极处沉积生长铂层；
步骤3：在离子敏场效应晶体管的第一延长栅的最上层，通过电化学法聚合生长得到具有接近能斯特响应的pH敏感聚吡咯-脲酶层，使聚吡咯-脲酶层中的聚吡咯同时具有载体和敏感材料两种功能；
步骤4：在参比场效应晶体管第二延长栅的最上层，通过电化学法聚合生长得到聚吡咯层，且该聚吡咯层具有接近能斯特响应的pH敏感特性。
6、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述聚吡咯-脲酶层中含有生物物质脲酶。
7、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述离子敏场效应晶体管的第一延长栅的结构为第一聚吡咯-脲酶层、第一铂层和第一铝层，其中第一铝层由标准CMOS工艺在加工离子敏场效应晶体管芯片时沉积，第一铂层采用磁控溅射法沉积生长。
8、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述的聚吡咯-脲酶层制备步骤为：
步骤11：将结晶的脲酶溶解于去离子水中，配制成20mg/ml的单体吡咯溶液；
步骤12：将脲酶溶液与上一步配制的单体吡咯溶液按体积比1:9的比例进行混合，得到pH值为7.4、单体吡咯浓度为0.09mol/l、脲酶浓度为2mg/ml的溶液；
步骤13：在-0.05V～0.75V电压范围内，采用双电极循环伏安法，以离子敏场效应晶体管的第一延长栅极连接电化学工作站的工作电极，以准参比电极连接电化学工作站的参比电极和对电极，在离子敏场效应晶体管的第一延长栅上生长聚吡咯-脲酶层。
9、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述参比场效应晶体管的第二延长栅的结构为聚吡咯层、第二铂层和第二铝层，其中第二铝层由标准CMOS工艺在加工离子敏场效应晶体管芯片时沉积，第二铂层采用磁控溅射法沉积生长。
10、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述聚吡咯层制备步骤为：
步骤21：以水为溶剂，以磷酸盐为电解质，配制成pH7.4的缓冲液；
步骤22：加入适量经过蒸馏提纯的单体吡咯，得到磷酸盐浓度为0.1mol/l、pH值为7.4、单体吡咯浓度为0.1mol/l的溶液；
步骤23：在-0.05V～0.75V电压范围内，采用双电极循环伏安法，以参比场效应晶体管的第二延长栅极连接电化学工作站的工作电极，以准参比电极连接电化学工作站的参比电极和对电极，在参比场效应晶体管的延长栅上生长聚吡咯层。
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