液栅型InGaZnO薄膜晶体管用于细菌生物膜及DNA传感研究

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非晶铟镓锌氧(IGZO)薄膜晶体管由于迁移率高、制备温度低、性能稳定等诸多优点,已被广泛应用于生物传感领域。在各种不同结构的IGZO薄膜晶体管中,液栅型IGZO薄膜晶体管具有低的工作电压(1 V),因此非常适合应用于高灵敏、实时监控的生物检测。本论文主要围绕基于液栅型IGZO薄膜晶体管的MRSA生物膜传感、对MRSA生物膜的抑膜及解膜药物筛选、以及高灵敏的DNA传感等展开系统研究。首先,利用脉冲激光沉积(PLD)法制备得到表面平整致密的非晶IGZO薄膜,并利用其制备了液栅型IGZO薄膜晶体管,器件的阈值电压在0.15 V左右,且在栅电压约1 V的变化范围内,器件的开关比达到106107数量级。器件在PBS溶液环境中7天内保持电学性能稳定,且对不同浓度的阳离子敏感。因此,液栅型IGZO薄膜晶体管适合作为生物传感器应用。研究了液栅型IGZO薄膜晶体管对MRSA生物膜在生长过程及解膜过程中的快速实时监控。结果表明,MRSA生物膜在4 h后生长较快,到12 h后成膜量基本没有太大变化,到24 h器件转移曲线的偏移量在145 mV左右。丁烯酸内酯BU对MRSA生物膜的解膜结果表明,BU在前6 h的解膜速度较快,在6 h之后,其解膜效果变得相对缓和一些,作用12 h之后其解膜效率可以达到86.9%。液栅型IGZO薄膜晶体管对MRSA生物膜的检测结果与SEM及结晶紫染色法测试得到的结果基本保持一致,说明其非常适合用于细菌生物膜的传感研究。基于此,研究了不同种类的抗生素和呋喃酮衍生物对MRSA生物膜的抑膜和解膜效果筛选。其中对10种抗生素进行了抑膜研究,结果表明,环丙沙星、氯霉素、盐酸四环素、硫酸链霉素、万古霉素等5种抗生素在低浓度5μg/mL时对MRSA生物膜就有较好的抑膜效果。同时对5种呋喃酮衍生物的抑膜效果进行了研究,结果表明,在50μg/mL条件下,BU表现出较好的抑膜效果,而呋喃酮C30、呋喃酮C56对MRSA生物膜有一定程度的抑膜效果。在解膜药物筛选中发现,抗生素对MRSA生物膜没有明显的解膜效果。在200μg/mL条件下,BU对MRSA生物膜的解膜效果优异,而呋喃酮C30和呋喃酮C56具有一定的解膜效果。与此同时,还验证了BU和万古霉素联用对MRSA生物膜的解膜效率比单独只有BU的解膜效率高。最后,研究了基于液栅型IGZO薄膜晶体管的DNA传感器,实现了对DNA杂化的高灵敏、高特异性检测。通过优化工艺,证明了当DNA杂化时间为2 h、杂化温度为37℃时,器件的检测性能最优,其对DNA的最低检测极限为10-1313 M(100 fM),且在10-6M10-13M浓度范围内有较好的线性关系。同时,器件具有较好的选择性,能够有效的区分出单个碱基错配。由于液栅型IGZO薄膜晶体管生物传感器结构简单、检测灵敏度高,因此我们相信,这种检测技术能更多地应用到海洋微生物检测、免疫检测、细胞检测等多个生物传感领域。而薄膜晶体管的器件结构和检测原理使其更容易实现高通量及微量生物检测。
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