阅读说明：本技术 一种超高灵敏度多巴胺生物传感器及其制备方法 (Ultra-high-sensitivity dopamine biosensor and preparation method thereof ) 是由 李爱东 A·丹尼尔·阿鲁拉杰 任强 吴迪 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超高灵敏度多巴胺生物传感器及其制备方法,属于生物传感器领域,实现了对多巴胺的快速电化学响应,具有低至0.4pM的检测限,优异选择性,且工艺简单、成本低廉,适合临床诊断和生理功能检测,特别是活体多巴胺静态基础值的测定。本发明的多巴胺生物传感器包括从上至下依次为HfO<Sub>2</Sub>超薄膜、导电硅衬底、Al电极；采用与半导体工艺兼容的热ALD或等离子体增强ALD在导电硅基底上低温沉积HfO<Sub>2</Sub>超薄膜；再在硅衬底背面蒸镀金属铝以形成良好的电学接触,即获得了多巴胺生物传感器。(The invention discloses an ultrahigh-sensitivity dopamine biosensor and a preparation method thereof, belongs to the field of biosensors, realizes quick electrochemical response to dopamine, has a detection limit as low as 0.4pM, excellent selectivity, simple process and low cost, and is suitable for clinical diagnosis and physiological function detection, particularly for measuring a static basic value of living dopamine. The dopamine biosensor comprises HfO sequentially arranged from top to bottom 2 Ultra-thin film, conductiveA silicon substrate, an Al electrode; low temperature deposition of HfO on a conductive silicon substrate using thermal ALD or plasma enhanced ALD compatible with semiconductor processes 2 An ultrathin film; and evaporating metal aluminum on the back of the silicon substrate to form good electrical contact, thus obtaining the dopamine biosensor.)

一种超高灵敏度多巴胺生物传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于生物传感器领域，尤其涉及一种超高灵敏度多巴胺生物传感器及其制备方法。

背景技术

多巴胺(3、4-二羟苯乙胺)是人体中一种重要的神经传递物质，在中枢神经系统、内分泌系统中，对大脑的记忆、情绪活动和压力、人体的运动等方面发挥着关键的作用。多巴胺水平异常，与帕金森病、阿尔茨海默病、抑郁症、精神***症、肾衰竭和心力衰竭等多种神经系统疾病密切相关。且多巴胺作为拟肾上腺素药，还广泛用于治疗神经紊乱、先天性心血性及高血压甚至抑郁症等疾病。因此，发展多巴胺含量测定方法，无论是在临床应用方面还是在生理功能研究都具有重要的实际意义。

目前多巴胺神经递质的分析方法多种多样，如电化学分析法、分光光度法、液相色谱法、荧光光谱法和滴定法等，与其它检测方法相比，电化学分析法具有稳定性好、灵敏度高、选择性高、使用便捷、成本低等优点，还可进行在线的实时检测，是一种极具竞争力和吸引力的测试方法。多巴胺电化学传感器虽然具有一定的优点，但仍面临着检测极限(LoD)的挑战，当多巴胺浓度降至超低～1pM，绝大多数电化学传感器都不能满足检测要求。而且不少电化学传感器为了改善稳定性和灵敏度，需要在电极制备中引入粘结剂(binder)，会降低传感器的选择性。因此，通过引入新材料、新结构和新工艺，开发新型超灵敏高选择的多巴胺电化学传感器具有重要意义。

原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)方法是一种正在蓬勃发展中的新型材料制备技术。自从2001年国际半导体工业协会(ITRS)将ALD与金属有机化学气相沉积(MOCVD)、等离子体增强CVD并列作为与微电子工艺兼容的候选技术以来，ALD技术发展势头强劲。原子层沉积是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体表面上发生化学吸附反应形成薄膜的一种方法，其独特的自限制性与自饱和性反应机理，保证了沉积薄膜的大面积均匀性、优异的三维共形性和膜厚的精确可控性(埃尺度)，尤其在材料的表面改性和界面修饰方面表现出突出的优势。近些年来，原子层沉积在微电子、光电子、纳米技术、新能源、催化、生物医学等领域展现出广阔的应用前景。然而将ALD应用于生物传感器领域工作，相对较少，特别是应用于超高灵敏度多巴胺生物传感器的制备，还极其匮乏。

发明内容

本发明提供了一种超高灵敏度多巴胺生物传感器及其制备方法，通过在商业导电硅衬底上ALD沉积超薄的HfO₂薄膜作为敏感层，实现了对多巴胺的快速电化学响应，具有低至0.4pM的检测限，优异选择性，且工艺简单、成本低廉，适合临床诊断和生理功能检测，特别是活体多巴胺静态基础值的测定。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种超高灵敏度多巴胺生物传感器，包括：导电衬底、敏感层，敏感层位于导电衬底的上层。

以上所述结构中，所述传感器还包括金属铝层；所述金属铝层位于导电衬底下层，所述导电衬底为导电硅衬底，所述敏感层为HfO₂超薄膜，所述HfO₂超薄膜厚度为15-40纳米。

一种超高灵敏度多巴胺生物传感器的制备方法，包括以下步骤：

在导电硅衬底上，采用与半导体工艺兼容的热ALD或等离子体增强ALD (plasma-enhanced ALD,PEALD)低温沉积HfO₂超薄膜；再在硅衬底背面蒸镀金属铝，即获得了多巴胺生物传感器。

以上所述步骤中，所述低温沉积的温度为80-350℃，所述HfO₂超薄膜厚度为15-40纳米；所述热ALD的沉积参数为：铪源为有机铪源或无机铪源，氧源为水，循环数为150循环-400循环；所述等离子体增强ALD的沉积参数为：铪源为有机铪源或无机铪源，氧源为氧气等离子体，循环数为150循环-400循环；所述有机铪源为二甲基氨基铪或二甲乙基氨基铪，所述无机铪源为四氯化铪。

有益效果：本发明提供了一种超高灵敏度多巴胺生物传感器及其制备方法，制备的HfO₂/Si基多巴胺生物传感器是一种免粘结剂的电化学传感器，具有高灵敏度(低至0.4pM的检测限)、快速响应(3s)、高稳定性、高重复性的优点，也表现出优异的选择性，且工艺简单、成本低廉，适合临床诊断和生理功能检测，特别是活体多巴胺静态基础值的测定，在超高灵敏度多巴胺检测领域有重要的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中超高灵敏度多巴胺生物传感器结构示意图；

图2为本发明实施例中导电硅衬底上ALD沉积200循环HfO₂薄膜扫描电子显微镜(SEM)照片；

图3为本发明实施例中导电硅衬底上ALD沉积200循环HfO₂薄膜的XPS 图谱：Hf 4f和O1s；

图4为本发明实施例中200循环HfO₂/导电硅衬底作为工作电极在含有 50μM多巴胺的0.1M PBS(pH＝7)溶液中不同扫描速率下的CV扫描曲线图；

图5为本发明实施例中200循环HfO₂/导电Si衬底对不同浓度多巴胺的 0.1M PBS(pH＝7)溶液的DPV响应(a)和拟合的校正曲线(b)和(c)图；

图6为本发明实施例中参比样品导电Si衬底对不同浓度多巴胺的0.1M PBS (pH＝7)溶液的DPV响应(a)和拟合的校正曲线(b)图；

图7为本发明实施例中200循环HfO₂/导电硅衬底基多巴胺传感器选择性和干扰性测试：(a)与多巴胺对比，200循环HfO₂/导电硅衬底在0.1M PBS溶液中其他生物分子的CV响应曲线图、(b)在几种干扰物质存在情况下，200循环 HfO₂/导电硅衬底的DPV干扰响应测试结果图；

图8为本发明实施例中200循环HfO₂/导电硅衬底基多巴胺传感器重复性测试，多巴胺浓度为300pM，包括17次扫描的DPV曲线；

图9为本发明实施例中300循环HfO₂/导电Si衬底对不同浓度多巴胺的0.1M PBS(pH＝7)溶液的DPV响应(a)和拟合的校正曲线(b)和(c)图；

图10为本发明实施例中400循环HfO₂/导电Si衬底对不同浓度多巴胺的 0.1M PBS(pH＝7)溶液的DPV响应(a)和拟合的校正曲线(b)和(c)图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

实施例1

如图1所示，一种超高灵敏度多巴胺生物传感器，包括：HfO₂超薄膜、导电硅衬底、Al电极，从上至下依次为HfO₂超薄膜、导电硅衬底、Al电极。

以上所述传感器的制备方法，包括以下步骤：

使用商业化的导电硅片作为衬底，采用热原子层沉积法(ALD)，沉积200 循环二氧化铪(HfO₂)薄膜，具体沉积参数如下：生长温度为300℃，使用甲乙氨基铪Hf[N(C₂H₅)CH₃]₄(TEMAH)和水分别作为铪源和氧源，高纯氮气作为载气，生长循环参数为0.1s TEMAH-4s N₂清洗-0.1s水-4s N₂清洗，总循环数为200，为了获得良好的电学接触，硅衬底背面采用真空蒸镀发制备了金属铝。

图2为导电硅衬底上ALD沉积200循环HfO₂薄膜的SEM形貌照片，图3为对应的XPS光电子能谱图，椭偏测得薄膜厚度约为20纳米，可见通过ALD 方法制得了HfO₂超薄膜。

图4为利用传统的电化学方法测试了200循环HfO₂/导电硅衬底在含有 50μM多巴胺的0.1M PBS(pH＝7)溶液中不同扫描速率下的CV扫描曲线，使用电化学工作站三电极体系，工作电极为200循环HfO₂/导电Si衬底，参比电极为Ag/AgCl(饱和KCl溶液)，对电极为Pt丝电极，扫描速度为25-400mV/s，扫描增速为25mV/s，可以观测到约在0.63V有一个弥散的氧化峰，对应于多巴胺氧化为多巴胺邻醌；而在0.04V有一个明显的还原峰，对应于多巴胺邻醌还原为多巴胺，且随着电压扫描速度的加快，多巴胺氧化峰和还原峰的电流增大，拟合后表明，氧化峰、还原峰电流与电压扫描速度的均方根成正比，表明此电化学反应过程由扩散控制而不是表面吸附控制。由于多巴胺还原峰灵敏度高且可以避免很多生物分子的干扰，因此通常检测此峰的电化学响应，来测定多巴胺的浓度。

图5(a)测试了200循环HfO₂/导电硅衬底在不同浓度多巴胺的0.1M PBS (磷酸缓冲盐溶液，pH＝7)溶液中多巴胺还原峰的微分脉冲伏安法(Differential pulsevoltammetry，DPV)的响应曲线；当多巴胺浓度从1pM增加到48nM，，还原峰电流也随之增加，表现出极高的灵敏度；其DPV响应可以拟合成两条线性校正曲线(图5(b)和图5(c))：200循环HfO₂/导电硅电极的灵敏度在1pM to 1000pM区间为0.1261μA/pM，在1nM to 48nM区间为1.0787μA/nM，且计算出的检测限度(limit of detection，LOD)在信噪比为3时，可低至0.4pM。图6为参比样品导电裸Si衬底对不同浓度多巴胺的0.1M PBS(pH＝7)溶液的DPV 响应(a)和拟合的校正曲线(b)。与HfO₂/饰导电硅电极相比，响应电流从几百微安降低到几十微安，而检测范围又明显变窄为500-1420pM，其对应检测灵敏度为0.014μA/pM，降低一个数量级。

图7为200循环HfO₂/导电硅基多巴胺传感器选择性和干扰性测试。从图7(a)可知，在同样50μM浓度下，多巴胺的CV响应信号明显高于其他生物分子，如尿酸、抗坏血酸、L-半胱氨酸和肌酸；从图7(b)可知，当多巴胺浓度为300pM，几种干扰物质存在且浓度高达250μM情况下，测得的DPV响应信号几乎没有变化，即干扰生物分子浓度高达83万倍情况下，对多巴胺浓度测试结果没有影响。图8也显示了200循环HfO₂/导电硅基多巴胺传感器17次重复测试结果，同样展示了较好的重现性，相对标准偏差(RSD)仅为2.3％。

为了验证所制备的200循环HfO₂/导电硅作为多巴胺传感器在实际样品中检测的可行性，在0.1M PBS(pH＝7)溶液中以10和20倍的稀释因子获得稀释血清。然后，在稀释血清中加入已知浓度的多巴胺，并用DPV进行检测。所得结果见表1，与相应的校准曲线比对，该传感器对多巴胺的回收率为99-102％，表明该传感器可用于实际生物样品的分析。

表1.人体血清样本中多巴胺检测结果

实施例2

如图1所示，一种超高灵敏度多巴胺生物传感器，包括：HfO₂超薄膜、导电硅衬底、Al电极，从上至下依次为HfO₂超薄膜、导电硅衬底、Al电极。

以上所述传感器的制备方法，包括以下步骤：

使用商业化的导电硅片作为衬底，采用热原子层沉积(ALD)，沉积300循环二氧化铪(HfO₂)薄膜。具体沉积参数如下：生长温度为300℃，使用甲乙氨基铪Hf[N(C₂H₅)CH₃]₄(TEMAH)和水分别作为铪源和氧源，高纯氮气作为载气，生长循环参数为0.1s TEMAH-4s N₂清洗-0.1s水-4s N₂清洗，总循环数为300。为了获得良好的电学接触，硅衬底背面采用真空蒸镀发制备了金属铝。

图9(a)测试了300循环HfO₂/导电硅衬底在不同浓度多巴胺的0.1M PBS (pH＝7)溶液中多巴胺还原峰的DPV响应曲线。其DPV响应可以拟合成两条线性校正曲线(图9(b)和图9(c))：300循环HfO₂/导电硅电极的灵敏度在1 pM到1000pM区间为0.0483μA/pM，在1nMto 156nM区间为0.5627μA/nM。

实施例3

如图1所示，一种超高灵敏度多巴胺生物传感器，包括：HfO₂超薄膜、导电硅衬底、Al电极，从上至下依次为HfO₂超薄膜、导电硅衬底、Al电极。

以上所述传感器的制备方法，包括以下步骤：

使用商业化的导电硅片作为衬底，采用热原子层沉积(ALD)，沉积400循环二氧化铪(HfO₂)薄膜。具体沉积参数如下：生长温度为300℃，使用甲乙氨基铪Hf[N(C₂H₅)CH₃]₄(TEMAH)和水分别作为铪源和氧源，高纯氮气作为载气，生长循环参数为0.1s TEMAH-4s N₂清洗-0.1s水-4s N₂清洗，总循环数为400。为了获得良好的电学接触，硅衬底背面采用真空蒸镀发制备了金属铝。

图10(a)测试了400循环HfO₂/导电硅衬底在不同浓度多巴胺的0.1M PBS(pH ＝7)溶液中多巴胺还原峰的DPV响应曲线。其DPV响应可以拟合成两条线性校正曲线(图10(b)和图10(c))：400循环HfO₂/导电硅电极的灵敏度在1pM to 900pM区间为0.0286μA/pM，在1nMto 232nM区间为0.4048μA/nM。

实施例4

如图1所示，一种超高灵敏度多巴胺生物传感器，包括：HfO₂超薄膜、导电硅衬底、Al电极，从上至下依次为HfO₂超薄膜、导电硅衬底、Al电极。

以上所述传感器的制备方法，包括以下步骤：

使用商业化的导电硅片作为衬底，采用热原子层沉积(ALD)，沉积150循环二氧化铪(HfO₂)薄膜。具体沉积参数如下：生长温度为150℃，使用二甲基氨基铪Hf[N(CH₃)₂]₄(TDMAH)和水分别作为铪源和氧源，高纯氮气作为载气，生长循环参数为0.1s TDMAH-6s N₂清洗-0.1s水-6s N₂清洗，总循环数为150。为了获得良好的电学接触，硅衬底背面采用真空蒸镀发制备了金属铝。

实施例5

如图1所示，一种超高灵敏度多巴胺生物传感器，包括：HfO₂超薄膜、导电硅衬底、Al电极，从上至下依次为HfO₂超薄膜、导电硅衬底、Al电极。

以上所述传感器的制备方法，包括以下步骤：

使用商业化的导电硅片作为衬底，采用等离子体增强原子层沉积(PEALD)，沉积200循环二氧化铪(HfO₂)薄膜，具体沉积参数如下：生长温度为80℃，使用二甲基氨基铪Hf[N(CH₃)₂]₄(TDMAH)和等离子体分别作为铪源和氧源，高纯氮气作为铪源载气，高纯氩气作为氧等离子体的载气，生长循环参数为0.1s TDMAH-15N₂清洗-30s氧等离子体-25s Ar清洗，总循环数为200。为了获得良好的电学接触，硅衬底背面采用真空蒸镀发制备了金属铝。

实施例6

如图1所示，一种超高灵敏度多巴胺生物传感器，包括：HfO₂超薄膜、导电硅衬底、Al电极，从上至下依次为HfO₂超薄膜、导电硅衬底、Al电极。

以上所述传感器的制备方法，包括以下步骤：

使用商业化的导电硅片作为衬底，采用等离子体增强原子层沉积(PEALD)，沉积200循环二氧化铪(HfO₂)薄膜，具体沉积参数如下：生长温度为200℃，使用二甲基氨基铪Hf[N(CH₃)₂]₄(TDMAH)和等离子体分别作为铪源和氧源，高纯氮气作为铪源载气，高纯氩气作为氧等离子体的载气，生长循环参数为0.1s TDMAH-15N₂清洗-30s氧等离子体-25s Ar清洗，总循环数为200。为了获得良好的电学接触，硅衬底背面采用真空蒸镀发制备了金属铝。

实施例7

如图1所示，一种超高灵敏度多巴胺生物传感器，包括：HfO₂超薄膜、导电硅衬底、Al电极，从上至下依次为HfO₂超薄膜、导电硅衬底、Al电极。

以上所述传感器的制备方法，包括以下步骤：

使用商业化的导电硅片作为衬底，采用等离子体增强原子层沉积(PEALD)，沉积300循环二氧化铪(HfO₂)薄膜，具体沉积参数如下：生长温度为350℃，使用HfCl₄和等离子体分别作为铪源和氧源，高纯氮气作为铪源载气，高纯氩气作为氧等离子体的载气，生长循环参数为0.1s TDMAH-15N₂清洗-30s氧等离子体 -25s Ar清洗，总循环数为300。为了获得良好的电学接触，硅衬底背面采用真空蒸镀发制备了金属铝。

以上仅是本发明的优选实施例，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出的若干变形和改进都属于本发明的保护范围。