新型疾病与癌症逐渐表现出早期诊断困难,晚期无法治愈的特点,迫切需要发展高灵敏探测技术实现对疾病早期超低浓度目标物的快速、准确诊断。由于具有灵敏度高、响应速度快、制备成本低廉、小型化可集成的特点,基于纳米材料半导体的生物传感器备受关注。特别是二硫化钼（MoS2）纳米薄膜生物传感器,相比于石墨烯和其它体半导体材料,其合适的禁带宽度在生物传感器应用中对生物目标物拥有更好的生物兼容性以及更低的探测极限,在低浓度复杂生物样品的探测中具有天然的优势。目前纳米MoS2生物传感器已经实现了对DNA、RNA以及蛋白等各类生物分子的探测,但依然存在器件重复性差、生物功能化手段复杂、目标探测极限不够低等问题。为此,本论文对MoS2薄膜生物传感器的材料合成、生物功能化方法以及器件结构方面进行了深入的研究,优化了二维MoS2纳米薄膜的制备工艺,制备出高性能水平的场效应晶体管（FET）器件;设计了新的生物功能化方法,提升了传感器对生物目标物的探测性能;改进了传感器的结构,使其具备可重复利用的能力。主要研究内容与取得的结果如下:一、MoS2纳米薄膜的制备与微观结构（1）改进了机械剥离法制备MoS2薄膜工艺,利用制备的带标记的衬底,成功获取了可定位的少层MoS2薄膜。拉曼（Raman）光谱显示薄膜在E2g1=382 cm-1和A1g=404 cm-1特征峰处呈现出极窄的半高宽,表明薄膜晶体质量很高;原子力显微图像（AFM）显示薄膜厚度被控制在4～6nm,表明改进工艺提高了薄膜均匀性。（2）在化学气相沉积两步法的基础上设计了一种图形化MoS2薄膜阵列的生长方法。实现了对MoS2薄膜形状、大小与厚度的精确控制。Raman和AFM表明,MoS2薄膜选择性生长在了沉积有钼金属的区域,并获得了厚度为4nm的高质量长方形薄膜阵列,解决了生物传感器中材料大规模定制的难题。二、MoS2基生物传感器的生物功能化及其前列腺癌抗原（PSA）探测（1）利用光刻工艺制备了 MoS2基FET器件,研究了器件输出的和转移特性。线性的Ids-Vds曲线表明器件拥有良好的欧姆接触特性,Ids-VG,back曲线呈现n型FET特性,载流子迁移率达到μ=9.8 cm2V-1S-1,参数指标达到PSA高性能测试要求。（2）设计一种环境友好型DNA四面体（DNA-TSPs）结合生物素-链霉亲和素系统（BSAS）,并利用其对MoS2基FET器件表面修饰,功能化后器件结构FET/DNA-TSPs/BSAS/anti-PSA。X射线光谱图表明DNA四面体与FET器件表面Au膜形成Au-S键为生物修饰提供了稳定的基础。另外,BSAS的高亲和力与多级放大效应的修饰系统,使得传感器对目标探测物的捕获能力得到了提高。（3）利用实时测试的手段研究了 PSA电学响应,发现响应电流与PSA浓度密切相关,这归因于高浓度的抗原由于与抗体的结合而降低了传感器表面的正电位。不同浓度PSA的响应百分比进行拟合,发现传感器对PSA的响应呈线性关系,其中拟合曲线的R2=0.959,表明传感器对PSA目标蛋白具有出色的响应。传感器对PSA响应的浓度线性范围为1fg/mL～100 ng/mL,探测极限达1fg/mL,分别为现有MoS2基传感器最高水平的10000倍与100倍。（4）发现Casein、BSA与IgG&HSA的响应百分比不到20%,远远低于目标蛋白在PBS与血清中的响应,表明MoS2基生物传感器对PSA的探测具有优异的特异性与可靠性,在即时医疗应用探测PSA方面表现出巨大的潜力。三、生物分离式MoS2基传感器阵列（1）设计了一种生物分离式的传感器的阵列。利用DNA四面体底部疏基与Au反应形成Au-S键,且影响Au表面电势原理,独立出了传感器的生物感应区,同时基于图形化结构制备了分离的MoS2器件阵列,实现了生物分离式MoS2基传感器阵列的构建,解决了传感器生物不兼容与不可重复利用的问题。（2）研究了1×4传感器阵列的乳腺癌一号基因（BRCA1）电学响应。发现不同单元器件对相同浓度BRCA1的响应结果基本在同一电流水平,表明阵列均匀性很好。阵列单元对BRCA1响应浓度线性范围为1fM～1μM,并获得了极高的线性拟合系数为R2=0.98。与同类方法相比较,该结果具有更宽的探测范围。（3）采用空白和非互补DNA样品对比的方法研究了传感器的特异选择性以及对低浓度BRCA1探测的可靠性。发现传感器具有极低的噪声水平%RBlank+3SD=2.5%,且对非互补DNA的响应几乎可忽略,表明该传感器对BRCA1探测的响应百分比可靠,且特异选择性满足需求。