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DNA碱基的类型和序列是记录生物遗传信息的重要载体,它承载着广泛的生命信息和遗传指令,可以将疾病的诊断和治疗带到分子水平。近几年通过分析DNA杂交,阿尔兹海默症,唐氏三体综合症,DNA反应动力学和结合能以及体内重金属沉积的快速高精检测难题先后被基于二维材料的场效应管生物传感器逐个攻克。不断提高场效应管生物传感器的灵敏度是科研界孜孜不倦的追求,本文在已有工作基础上,围绕进一步增强场效应管DNA传感器的灵敏度,研究制备了悬空碳纳米管场效应管DNA传感器、光电耦合场效应管DNA传感器和二硫化钼/石墨烯杂化纳米结构场效应管DNA传感器。本文工作一是通过利用靶和银无限互溶及熔点差别高的特点制作了基于悬空碳纳米管的场效应管DNA传感器。悬空碳纳米管作为场效应管的感应材料克服了基底对感应材料造成的影响。碳纳米管悬空后的导电性能提高了两个数量级,50%的左右的有效传感面积被从基底上释放出来。扫描电镜和拉曼光谱表征了DNA被有桥梁链接作用的1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯成功地绑定到到碳纳米管上且在检测过程中悬空碳纳米管不会发生断裂或沉底。该传感器展现出了超高的检测性能,低至10 aM的DNA浓度被有效检测。理论模拟也被用来试验结果进行验证,Atomistix ToolKit(ATK)对结合了DNA的碳纳米管进行几何优化和输运性质的计算,结果表明随着碳纳米管与探针DNA和互补DNA的结合,其导电性能依次降低且双链DNA对碳纳米管导电性能的削弱能力是单链DNA对其导电性能的削弱能力的数倍。该理论模拟结果与实验结果高度一致。本文工作二是通过电场耦合光场制备了光致DNA检测信号增强的场效应管DNA传感器。利用VASP探究了石墨烯层数和光波长对石墨烯吸光率的影响。基于模拟结果和现有的实验条件,我们选取两层石墨烯和425nm波长的光制备光电耦合场效应管DNA传感器。同样地,1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯被用来功能化石墨烯并进行DNA绑定,拉曼光谱被用来表征功能化及绑定的结果。该传感器的电流信号表现出了很强的栅压依赖性,不同栅压处电流差异明显,栅压越高电流信号越强烈。在范围?-?v1v5.0内梯度低浓度的DNA信号可以被有效的识别,并且展现出良好的线性关系。在这里栅压和带负电的DNA共同产生的门控效应是该传感器实现高灵敏检测的主要原因。基于沟道上门控效应有作用和电极上门控效应无作用的石墨烯能带模型被建立用来分析实验结果,新模型的建立很好的解释了实验现象。光电耦合场效应管DNA传感器展现出了卓越的灵敏性,检测极限低至1aM,该检测极限达到已报道的同类传感器的最高水平。单个错配,五个错配,十个错配,完全错配的互补DNA被用来验证该传感器的特异性,结果表明不同错配程度的DNA链可以被有效的识别出来,这表明该传感器具备很好的特异性。本文工作三是通过利用二硫化钼与石墨烯之间的范德华相互作用力制备了一种基于二硫化钼/石墨烯杂化纳米结构的场效应管DNA感器并用于杂交检测。具有特殊电荷分布的层状二硫化钼可以充当电解质和石墨烯之间的阻挡层以减弱水分子扰动带来的噪声信号,此外二硫化钼还可以极化DNA分子来缩短DNA与石墨烯之间的距离,使得DNA负电荷基团的电子容易转移到石墨烯中以减弱德拜屏蔽效应的影响。该部分还着重讨论了供体效应和门控效应竞争主导的传感机制,二硫化钼的引入导致供体效应增强,门控效应减弱。该传感器展现出超高的检测性能,浓度从10 aM到100 pM范围内的DNA信号可以被有效的检测,这比目前所报道的同类传感器的检测极限低一个或几个数量级。