本發(fā)明涉及晶體管生物傳感，尤其涉及一種二氧化錫晶體管生物傳感器及其制備方法、皮質(zhì)醇濃度檢測方法。

背景技術：

1、皮質(zhì)醇是一種主要由腎上腺皮質(zhì)分泌的類固醇激素，通常被稱為“壓力激素”。它的水平在壓力或危機時增加，有助于調(diào)節(jié)壓力反應，它與庫欣綜合征和addison病有著緊密的聯(lián)系。在日常生活中，運動顯著影響皮質(zhì)醇水平：短期高強度運動可導致皮質(zhì)醇顯著升高而定期適度運動有助于降低皮質(zhì)醇基線水平，改善應激反應。

2、此外，人體內(nèi)的皮質(zhì)醇含量水平可以在短時間內(nèi)對心理和生理壓力做出顯著波動。因此，開發(fā)一種通用、快速、無創(chuàng)、低成本的定量檢測設備和方法至關重要。目前，在臨床和商業(yè)環(huán)境中，皮質(zhì)醇濃度的檢測主要依賴于使用酶聯(lián)免疫吸附試驗(elisa)和比色法等傳統(tǒng)方法分析對人體血液樣本進行分析檢測。然而，這些方法面臨著包括樣品收集等各種局限。例如，elisa成本高，操作程序復雜。而比色法存在著特異性不足，靈敏度較低和定量困難等問題。

3、近年來發(fā)展迅速的新型傳感器-場效應晶體管(fet)傳感器可在水溶液環(huán)境中、低電壓下穩(wěn)定運行，且具有結構簡單、生物相容性好、易小型化、響應速度快以及固有信號放大等特點。通過對fet的溝道表面或者柵極表面改性，生物功能化后，在捕捉到特異性目標時會顯著的改變器件的溝道電流。使得它在解決生物物質(zhì)檢測中靈敏度低、檢測范圍較窄的問題上具有較大的優(yōu)勢。這種通過特異性捕捉目標物質(zhì)間接改變溝道電流的傳感器件，電信號會由于施加的柵極電壓得到放大，器件的靈敏度得到了較大提高。同時，最近的科學研究表明場效應晶體管(fet)生物傳感器，已經(jīng)能夠用于精確測定人體唾液中的皮質(zhì)醇含量。與常規(guī)的比色法相比，fet生物傳感器具有明顯優(yōu)勢，包括快速響應時間、高靈敏度、多功能性、易于集成和操作簡單等。這些特點使得場效應晶體管生物傳感器特別適合檢測和監(jiān)測復雜的生物系統(tǒng)。因此，fet可以作為一種有前景的生物傳感器，用于唾液皮質(zhì)醇的特異性、快速和定量檢測。

4、對于電化學場效應晶體管傳感器的應用，傳感通道至關重要。與無機半導體材料相比，有機半導體材料擁有優(yōu)良改性的機械順應性、更加容易的溶液加工性以及可以通過分子設計進行改進的內(nèi)在拉伸性，因此近年來在柔性電子引起了廣泛的關注。然而無機半導體擁有的獨特優(yōu)勢也是有機半導體無可替代的。無機半導體高的載流子遷移率意味著電子或空穴可以在晶體管內(nèi)快速移動，使其能夠在高速操作時提供穩(wěn)定的性能，因此無機半導體器件和電路具有快速響應、信號放大、多功能，并具有容錯性。這使得無機半導體器件成為了一種比較理想的復雜生物體系檢測監(jiān)控器件。各種一維二維三維納米材料，如硅納米線、碳納米管、納米帶、納米片以及石墨烯、二硫化鉬等二維材料等都被應用到晶體管。盡管這些無機納米結構的場效應晶體管展現(xiàn)出高的靈敏度，然而它們在生產(chǎn)和應用中存在的最主要的一個挑戰(zhàn)就是器件之間的巨大差異性和復雜的工藝集成。例如二維半導體材料由于其優(yōu)異的性質(zhì)，是目前場效應晶體管傳感器領域的研究重點之一。然而這些二維半導體材料(石墨烯、二硫化鉬和黑磷)固有的物相性質(zhì)，卻限制了該類傳感器的進一步發(fā)展。如石墨烯的半金屬性質(zhì)(零帶隙)、低開關率以及難以大面積產(chǎn)業(yè)化制備限制了其傳感應用，mos2具有合適的直接帶隙(1.8ev)，但大批量制備也存在問題，且內(nèi)部噪聲較高；黑磷具有合適的帶隙和較高的載流子遷移率，但其在空氣和水中的不穩(wěn)定性限制了其實際應用。因此，探索穩(wěn)定、有效的傳感通道材料對于提高電化學晶體管傳感器的傳感性能具有重要意義。

5、氧化物半導體是具有高成品率和均一性的n型晶體管和微電子器件的主要候選材料。氧化物場效應管中高電子遷移率(>10cm2?v-1s-1)保證了生物傳感器件的高靈敏度和高信噪比。同時，溶液處理方法也為大規(guī)模低成本沉積高性能氧化物半導體提供了便利可行的途徑，例如in2o3、sno2等就常用于晶體管器件的制備。然而，在實際測試應用中，金屬氧化物半導體仍然面臨各種應力因素，如電壓偏置和環(huán)境污染物，導致電性能下降，從而阻礙了材料在各種場景中的使用。具體而言，外部雜質(zhì)，如氧氣和水分，可以吸附在金屬氧化物薄膜晶體管的通道表面，從導帶捕獲電子并形成耗盡區(qū)。這些因素會導致器件穩(wěn)定性和電流-電壓性能的遲滯性降低，最終降低器件的整體性能影響檢測準確性。

6、基于目前的氧化物半導體器件的缺陷，有必要對此進行改進。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出了一種二氧化錫晶體管生物傳感器及其制備方法、皮質(zhì)醇濃度檢測方法，以解決或至少部分解決現(xiàn)有技術存在的缺陷。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種二氧化錫晶體管生物傳感器，包括：

3、基底；

4、至少一個晶體管單元，所述晶體管單元位于所述基底表面；每個所述晶體管單元包括位于所述基底上多個相互交錯設置的源極和漏極；其中，所述源極、漏極以及基底之間形成晶體管溝道；

5、所述晶體管溝道表面設有二氧化錫薄膜層；

6、所述二氧化錫薄膜層表面設有部分酯基酯水解為羧基的聚甲基丙烯酸甲酯材料層。

7、優(yōu)選的，所述源極的材料包括au、ag、cr中的至少一種；

8、所述漏極的材料包括au、ag、cr中的至少一種；

9、所述基底為陶瓷基底；

10、每個所述晶體管單元還包括柵極，所述柵極為ag/agcl電極、玻碳電極中的任一種；

11、所述部分酯基酯水解為羧基的聚甲基丙烯酸甲酯的制備方法包括：

12、將聚甲基丙烯酸甲酯加入至四氫呋喃中，升溫使聚甲基丙烯酸甲酯溶解，再加入氫氧化鈉水溶液，攪拌反應45～50h，加入二氯甲烷，分層后，收集下層溶液；

13、向下層溶液中加入鹽酸，酸化30～35min后分層，得到下層液體；

14、將下層液體中的溶劑蒸干，即得，部分酯基酯水解為羧基的聚甲基丙烯酸甲酯；

15、其中，聚甲基丙烯酸甲酯、四氫呋喃、氫氧化鈉水溶液、二氯甲烷、鹽酸的質(zhì)量體積比為(0.5～1)g:(15～20)ml:(15～20)ml:(15～20)ml:(10～15)ml；

16、氫氧化鈉水溶液濃度為2～3mol/l；

17、鹽酸的濃度為1～2mol/l。

18、第二方面，本發(fā)明還提供了一種所述的二氧化錫晶體管生物傳感器的制備方法，包括以下步驟：

19、在基底表面制備至少一個晶體管單元，每個晶體管單元包括多個相互交錯設置的源極和漏極，所述源極、漏極以及基底之間形成晶體管溝道；

20、配制含有sncl2的甲氧基乙醇溶液；

21、將含有sncl2的甲氧基乙醇溶液涂覆在晶體管溝道內(nèi)，退火，以在晶體管溝道表面形成二氧化錫薄膜層；

22、配制含有部分酯基水解為羧基的聚甲基丙烯酸甲酯的n,n-二甲基亞酰胺溶液；

23、將含有部分酯基水解為羧基的聚甲基丙烯酸甲酯的n,n-二甲基亞酰胺溶液涂覆在二氧化錫薄膜層表面，干燥，以在二氧化錫薄膜層表面形成部分酯基酯水解為羧基的聚甲基丙烯酸甲酯材料層。

24、優(yōu)選的，在二氧化錫薄膜層表面形成部分酯基酯水解為羧基的聚甲基丙烯酸甲酯材料層后，還向部分酯基酯水解為羧基的聚甲基丙烯酸甲酯材料層表面滴加含有edc和nhs的混合水溶液，以活化部分酯基酯水解為羧基的聚甲基丙烯酸甲酯材料層的羧基官能團。

25、優(yōu)選的，所述將含有sncl2的甲氧基乙醇溶液涂覆在晶體管溝道內(nèi)，退火的步驟中，所述含有sncl2的甲氧基乙醇溶液中sncl2的濃度為0.3～1.5g/ml，退火溫度為620～625℃、時間為150～160min；

26、和/或，所述將含有部分酯基水解為羧基的聚甲基丙烯酸甲酯的n,n-二甲基亞酰胺溶液涂覆在二氧化錫薄膜層表面，干燥的步驟中，所述含有部分酯基水解為羧基的聚甲基丙烯酸甲酯的n,n-二甲基亞酰胺溶液中含有部分酯基水解為羧基的聚甲基丙烯酸甲酯的濃度為0.05～0.06g/ml，干燥溫度為120～130℃、時間為20～30min。

27、優(yōu)選的，向部分酯基酯水解為羧基的聚甲基丙烯酸甲酯材料層表面滴加含有edc和nhs的混合水溶液并反應20～40min，其中，含有edc和nhs的混合水溶液中edc濃度為74～75mg/ml、nhs濃度為11～12mg/ml。

28、第三方面，本發(fā)明還提供了一種所述的二氧化錫晶體管生物傳感器或所述的制備方法制備得到的二氧化錫晶體管生物傳感器在檢測皮質(zhì)醇濃度液的應用。

29、第四方面，本發(fā)明還提供了一種皮質(zhì)醇濃度檢測方法，使用所述的二氧化錫晶體管生物傳感器或所述的制備方法制備得到的二氧化錫晶體管生物傳感器進行檢測，包括以下步驟：

30、將皮質(zhì)醇適配體dna溶液滴加至部分酯基酯水解為羧基的聚甲基丙烯酸甲酯材料層表面，孵育，固定皮質(zhì)醇適配體dna；將孵育后的二氧化錫晶體管生物傳感器置于pbs緩沖溶液中，固定源極和漏極之間的電壓下，改變柵電極電壓，測量溝道電流曲線，并讀取vgs＝0.8v處的電流值i0；

31、將待測樣品滴加至固定皮質(zhì)醇適配體dna后的部分酯基酯水解為羧基的聚甲基丙烯酸甲酯材料層表面，孵育；將孵育后的二氧化錫晶體管生物傳感器置于pbs緩沖溶液中，固定源極和漏極之間的電壓下，改變柵電極電壓，測量溝道電流曲線，并讀取vgs＝0.8v處的電流值i；

32、計算電流變化量δids＝|(i-i0)/i0|；

33、依據(jù)電流變化量計算待測樣品中皮質(zhì)醇濃度；

34、所述vgs表示柵極與源極之間的電壓。

35、優(yōu)選的，所述皮質(zhì)醇適配體dna的基因序列為ggaatggatccacatccatggatgggcaatgcggggtggagaatggttgccgcacttcg?gcttcactgcagacttgacgaagctt-(ch2)6-nh2。

36、優(yōu)選的，將皮質(zhì)醇適配體dna溶液滴加至部分酯基酯水解為羧基的聚甲基丙烯酸甲酯材料層表面，孵育的步驟中，孵育溫度為20～25℃、時間為1～2h；

37、將待測樣品滴加至固定皮質(zhì)醇適配體dna后的部分酯基酯水解為羧基的聚甲基丙烯酸甲酯材料層表面，孵育的步驟中，孵育溫度為35～37℃、時間為20～30min；

38、所述皮質(zhì)醇適配體dna溶液的配置方法為：將皮質(zhì)醇適配體dna加入至pbs緩沖溶液中，得到皮質(zhì)醇適配體dna溶液；

39、所述皮質(zhì)醇適配體dna溶液中皮質(zhì)醇適配體dna濃度為1～2μm。

40、本發(fā)明的二氧化錫晶體管生物傳感器及其制備方法、皮質(zhì)醇濃度檢測方法相對于現(xiàn)有技術具有以下有益效果：

41、1、本發(fā)明的二氧化錫晶體管生物傳感器，晶體管溝道表面設有二氧化錫薄膜層；二氧化錫薄膜層表面設有pmmaa材料層；二氧化錫薄膜層作為晶體管的溝道材料建立活化層；利用pmmaa材料層功能化溝道，形成羧酸功能化的活化界面，同時也可以增加界面的生物相容性并保護二氧化錫薄膜免受外界環(huán)境的侵擾，提高二氧化錫晶體管的特異性和靈敏度；并且在二氧化錫薄膜晶體管在測試目標物質(zhì)結束之后，可以通過洗去二氧化錫薄膜層上的pmmaa材料層，重新得到循環(huán)使用過后的二氧化錫薄膜晶體管；

42、2、本發(fā)明的皮質(zhì)醇濃度檢測方法，采用含有sncl2·2h2o的甲氧基乙醇溶液旋涂退火的方法制備二氧化錫薄膜作為晶體管溝道材料建立活化層；利用pmmaa材料層功能化溝道，形成羧酸功能化的活化界面，同時也可以增加界面的生物相容性并保護二氧化錫薄膜免受外界環(huán)境侵擾，提高二氧化錫電化學晶體管的特異性和靈敏度；將皮質(zhì)醇適配體dna通過酰胺鍵固定到晶體管活化層。隨著皮質(zhì)醇濃度的變化，傳感界面電負性發(fā)生改變，器件的溝道電流變化量發(fā)生變化，從而達到定量分析的目的。本發(fā)明的皮質(zhì)醇濃度檢測方法，隨著目標物質(zhì)皮質(zhì)醇濃度的變化，在1～106pg/ml具有良好的線性，檢測限低至fg/ml級別。在人體唾液，尿液，血液的復雜環(huán)境中對皮質(zhì)醇的檢測，具有高的選擇性和特異性，這些研究表明本發(fā)明的可重復使用的二氧化錫晶體管生物傳感器，能夠有效應用于唾液，尿液，血液診斷和術后監(jiān)測等方面。