[发明专利]碳纳米管传感器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及微小、微量生物体、化学物质的检测。本发明可用于医学领域癌症的早期诊断、身体指标的检测、环境监测、反恐领域生化物质的监测等。

背景技术

在生物分子检测中，癌症标志物的检测是一个重要的部分。癌症发现的越早，治愈的几率就越高。现有常见的癌症诊断技术，如内窥镜，CT扫描等成本高，准确性差，往往无法在癌症早期就将其准确诊断出来。因此，如何能够更早、更准确、更方便快捷以及低成本的诊断出癌症吸引了众多研究者的注意。

近年来，碳纳米管被广泛运用于制作探测生物大分子的电化学传感器，为早期癌症诊断提供了一个便捷而有效的方法，例如参见Young-Eun Choi，Ju-Won Kwak，Joon Won Park，“Nanotechnology for Early Cancer Detection”，Sensors，10：428-455，2010。碳纳米管(CNT)是由单层或多层石墨原子绕同轴弯曲而成的管状物，直径为1至几十纳米，长度可达几微米，具有很高的长径比和表面体积比、优良的力学化学性能、电子学特性和生物相容性。与传统的生物大分子探测手段相比，基于碳纳米管的生物传感器有着更小的体积，更简单的样品制备环节，更高的灵敏度，更低的检测限和更快的检测速度等，如参见K.Balasubramanian，M.Burghard，“Biosensor based on carbon nanotubes”，Anal Bioanal Chem，385：452-468，2006。

目前，基于碳纳米管的生物传感器已经应用于葡萄糖、DNA、胆固醇、癌症标志物等的检测中，例如参见C.B.Jacobs，M.J.Peairs，B.J.Venton，“Review：Carbon nanotube based electrochemical sensorsfor biomolecules”，Analytica Chimica Acta，662：105-127，2010。

目前存在一种碳纳米管试纸类传感器，例如参见Libing Wang，et al.“Simple，Rapid，Sensitive，and Versatile SWNT-Paper Sensor for Environmental Toxin Detection Competitive with ELISA”，Nano Lett.2009December；9(12)：4147-4152.doi：10.1021/nl902368r。这种试纸类传感器采用浸涂法制备，即将抗体(探针物质)和碳纳米管混合并分散在溶液中，5cm长0.5cm宽的滤纸条浸入溶液中，带有抗体的碳纳米管附着在试纸上，拿出来在真空中冷冻干燥后再浸入溶液中，重复操作多达13次，直到得到合适电导率为止。2012年美国中学生Jack Andraka采用同样的方法发明了测癌试纸，参见Andraka，Jack，″A Novel Paper Sensor for the Detection of Pancreatic Cancer″，ME028(Andraka)，Society for Science&the Publ ic，Retrieved22August2012。这种测癌试纸通过检测血液中癌症标志物与抗体的特异性结合，能够对早期胰腺癌做出准确的诊断。其原理是，间皮素是一种存在于人体中的蛋白质，如果人的胸膜，卵巢或胰腺发生癌变，间皮素在血液中的含量就会大幅上升，将碳纳米管和与间皮素发生特异性结合的抗体混合之后涂覆在试纸表面，形成敏感区，碳纳米管使试纸(具体地为试纸的敏感区)具有导电性。抗体与间皮素结合后体积会发生膨胀，增大碳纳米管网状结构的间隙，使试纸的导电性能降低，电阻增大。被检测的血清样品中间皮素含量越高，就有越多的抗体与间皮素结合后膨胀，试纸的导电性就越差，电阻就越高。通过测量试纸导电性的变化，就可以检测出血液中间皮素的含量是否超标。

现有技术中的上述碳纳米管试纸(传感器)的优点是测试灵敏、简单、快速和低成本，便于实际推广应用。但同时也存在以下缺点：

(1)碳纳米管试纸没有专门的引出电极，采用金属夹子直接与碳纳米管接触。由于存在肖特基势垒，接触电阻非常大，这对于精确测量抗原-抗体结合引起的试纸导电性能的改变十分不利，会恶化测量的信噪比及动态范围。传统的引出电极需要沉积金属并进行几百摄氏度的高温合金，而纸质基底不能承受这样的高温处理。

(2)每个试纸条一次只能使用一种探针物质针对一种目标物质进行检测，不能针对多种目标物质进行同时检测，测量的效率低。