纳米生物传感器的设计、加工与集成研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 苏瑞巩
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| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2011-11 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 程国胜 ; 靳刚 |
| 关键词 | 自上而下 生物传感器 硅纳米线场效应管 多孔材料 生物相容性 |
| 学位专业 | 一般力学与力学基础 |
| 中文摘要 | 纳米生物传感器是纳米技术与生物医学技术的交叉学科发展成果。传感器具 有响应速度快、灵敏度高、特异性强的特点，对于重大疾病的快速、高灵敏度诊 断具有重要的意义。本文围绕准一维硅基场效应管的大面积、可重复制备以及器 件的生物功能化，使之具有蛋白质高效检测这一目标，开发一种新型、高灵敏、 低功耗的生物传感器。具体研究内容如下： (1) 硅基纳米线场效应管的制作 采用“自上而下”微纳器件加工方法，在绝缘层上硅(SOI)上大面积制作得到硅基纳米线场效应管(FET)。利用Nikon 紫外步进曝光机与四甲基氢氧化铵湿法腐蚀相结合的方法，制备宽~70 nm，高~50 nm 的硅纳米线；经过再次光刻和金属剥离进行金属化得到源极、漏极和背栅电极；通过快速热退火使金属与硅纳米线形成欧姆接触。场效应管的电学性能利用半导体参数测量仪表征。实验结果表明硅纳米线传感器的电子迁移率达到106.28cm2/V·s，空穴的迁移率为9.07 cm2/V·s，器件开关比为106。 (2) 纳米多孔氮化硅复合结构的力学性能 利用化学气相法与氢氟酸腐蚀 相结合，通过控制硅烷的流量，制作得到纳米多孔氮化硅与氧化硅复合结构。利 用纳米压痕仪研究不同结构钝化材料的硬度和弹性模量等力学特性；研究结果发 现，多孔结构降低了材料的硬度和弹性模量，分别从15.72 GPa 和143.02 GPa 降低到0.44 GPa 和19.22 GPa；而多孔硅和氧化硅复合结构则提高了材料的硬度和弹性模量分别提高至4.83 GPa 和62.4 GPa，同时提高了材料的粘附性，提高断裂韧度；这种复合结构作为钝化材料具有广泛的应用前景。 (3) 硅纳米线场生物传感器对心肌肌钙蛋白的检测 利用生化修饰，将硅纳 米线场效应管表面功能化，用于对心肌梗死标记物的检测。在经过3-氨丙基三乙 氧基硅烷(APTES)和戊二醛修饰后的硅纳米线，在心肌肌钙蛋白I(cTnI)抗体缓冲 液中过夜培育，结合上抗体分子；荧光显微镜观察结果表明这种修饰具有特异性；利用自行搭建测试系统，对cTnI 蛋白进行检测，结果发现传感器对cTnI 的特异性检测灵敏度达到0.092 ng/mL；研究结果表明这种方法具有临床应用潜力。 (4) 纳米结构材料的表面性质及细胞相容性 对表面光学、润湿作用与细胞培 养相容性产生影响。多孔材料具有较低的表面光学反射，经过13 min 腐蚀的氮化硅样品其反射系数低于2.59%；我们通过控制腐蚀时间得到不同结构的多孔氮 化硅；利用化学修饰和物理吸附得到不同表面结构的材料，最后利用水接触角测 试系统对器件的表面浸润特性进行研究；研究结果发现纳米结构增强了材料的表 面浸润；全氟癸基三乙氧基硅烷(SiF3)使修饰后的氮化硅变成疏水材料，其修饰 后的多孔氮化硅则变成超疏水结构，接触角达到156.5 度，水接触比例仅为 13.2%；而多聚赖氨酸的填充使多孔氮化硅表面更加平滑，降低了水接触角；上 述处理后的材料经过消毒，被用于神经肿瘤细胞系的培养。细胞培养结果发现， 疏水表面抑制细胞生长，而多聚赖氨酸表面则促进细胞生长。 (5) 铟镓氮纳米锥表面润湿性具有可见光可调特性 通过自行搭建的CVD 系 统，在硅衬底上生长了铟镓氮纳米锥阵列。铟镓氮纳米锥长度约1.7 μm，锥尖直径7 nm；X-射线衍射与光致发光结果计算材料禁带宽度2.15 eV；利用OPA 修饰，在可见光或紫外光照射，铟镓氮纳米锥阵列的表面水接触角在158.6 度与18.6度之间连续可调。 综上所述，本文利用“自上而下”方法，在SOI 衬底上大面积制作了纳米线晶体管，并通过表面修饰，使之具有高灵敏的cTnI 传感特性；进一步地，利用纳 米复合结构提高器件钝化层的力学特性，并开展相关的材料与细胞培养生物相容 性研究。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-09-10 |
| 源URL | [http://58.210.77.100/handle/332007/692]  |
| 专题 | 苏州纳米技术与纳米仿生研究所_纳米生物医学与安全研究部_程国胜团队 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 苏瑞巩. 纳米生物传感器的设计、加工与集成研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011. |
入库方式： OAI收割
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