CN101923065B - 场效应晶体管手性传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种场效应晶体管手性传感器及其制备方法。该手性传感器利用场效应晶体管的结构，包括基底、栅电极、栅绝缘层、有源层、源电极、漏电极，其特征在于：所述有源层为具有手性识别与检测功能的量子点材料。该有源层量子点材料为经过手性分子修饰的尺寸小于100nm的半导体纳米微晶体。本发明基于量子点场效应晶体管及其制法，将具有手性识别与检测功能的量子点薄膜作为场效应晶体管的有源层，实现一种能够检测手性物质的传感器。该种手性传感器还可以将经过荧光手性分子修饰的量子点制成薄膜，作为场效应晶体管有源层，避免了传统的均相荧光传感器检测手性分子的缺陷，实现更稳定的检测信号。

Description

场效应晶体管手性传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于手性识别研究的传感器，尤其涉及一种基于场效应晶体管结构及量子点特性应用的场效应晶体管手性传感器及其制备方法。

背景技术

量子点独特的性质基于它自身的量子效应，当颗粒尺寸进入纳米量级时，尺寸限域将引起尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从而派生出纳米体系具有常观体系和微观体系不同的低维物性，展现出许多不同于宏观体材料的物理化学性质，在非线形光学、磁介质、催化、医药及功能材料等方面具有极为广阔的应用前景，同时将对生命科学和信息技术的持续发展以及物质领域的基础研究发生深刻的影响。

尽管半导体量子点材料只是最近二十几年才成为研究热点，但早在几百年前人们在制作彩色玻璃时就已经应用了ZnS和ZnSe等半导体纳米颗粒。至少一百年前，胶体化学家在实验室制备了胶体半导体纳米颗粒，并在生长过程中观察到了颜色的变化。在60年代初，Kubo提出金属颗粒的量子尺寸效应，使人们从理论上对这个效应有了一定认识，并开始对包括半导体在内的一些材料进行了研究。最早报道半导体纳米颗粒量子尺寸效应是在1967年，在CdS和AgI胶体半导体颗粒中观察到该效应并做了正确的解释。尽管如此，真正系统的研究开始于八十年代初，特别是像分子束外延和金属有机物化学气相淀积这样一些薄膜生长技术出现之后。

到目前为止，科研工作者发展了两种完全不同的制备量子点的途径，即“自上而下”和“自下而上”。前者是利用先进的薄膜生长技术并结合光刻、腐蚀等超微细加工技术，减小固体维度和尺寸来制备量子点；后者是通过化学合成和组装或物理汽相淀积，把原子或分子组合成量子点。前者由于受到超微细加工工艺的限制，还不能制备出10nm以下的量子点。后者研究得较为广泛的制备技术主要有胶体化学技术、金属有机化学气相淀积及金属有机分子束外延等。与后两者相比，胶体化学技术制备半导体量子点有许多优点。

胶体化学在化学科学领域中早就成为一门独立的学科，然而起初化学家们只对胶体金属和半导体的催化性质感兴趣。自从1984年美国贝尔实验室Brus领导的小组报导了胶体CdS纳米晶的量子尺寸效应后，有关CdS量子点的发光特性及机理的研究在国际上成为热门课题。1993年美国MIT的Murray等人根据快速成核、慢速生长的原理高温分解金属有机物并结合尺寸分离技术制备出了达到原子精度的单分散的CdE(E＝S，Se，Te)纳米晶粒，之后国内外众多科研人员在Murray等人的基础上制备了高质量的II-VI半导体量子点。这其中美国伯克利劳伦斯实验室的Alivisatos等人也作出了重大贡献，他们制备了不同形状的量子点，而且还开展了量子点在器件应用方面的研究。

另一方面，手性化合物在医药、农药、香料、食品添加剂、新材料等领域有着非常广泛的应用，手性化合物的合成、拆分及对映体纯度的测定也引起了人们的关注。目前研制的手性传感器主要包括荧光传感器和电化学传感器。其中，荧光传感器常用的手性选择剂是人工合成的联萘酚或其硼酸盐衍生物，还有一些其它的大环化合物。但是该种方法在检测手性分子时，主体物质与手性选择剂在液相中结合，待测的主体物质体系容易受到污染，一般只能一次性使用，传感器的应用受到了很大限制。

发明内容

针对量子点材料优异的应用特性，本发明的目的旨在提供一种场效应晶体管手性传感器及其制备方法，将量子点材料与场效应晶体管器件结构相结合，通过晶体管相关特性参数的改变，检测手性物质分子的类型，同时可以测量手性物质的含量及浓度，实现一种体积小、成本低廉、检测速度快的可识别手性物质的传感器。

本发明的一个目的，将通过以下技术方案来实现：

场效应晶体管手性传感器，包括基底、栅绝缘层、有源层、栅电极、源电极、漏电极的场效应晶体管基本结构，其特征在于：所述有源层为具有手性识别与检测功能的量子点材料。

进一步地，前述的场效应晶体管手性传感器，其中该有源层为经过手性分子修饰的尺寸小于100nm的半导体纳米微晶体，如II-VI族或III-V族元素形成的量子点。

更进一步地，前述的场效应晶体管手性传感器，其中该用于修饰量子点材料的手性分子存在形式之一为大环类化合物，包括环糊精、杯芳烃、冠醚等；且其中一类可为具荧光检测功能的手性分子或在手性分子中混有荧光分子。

本发明的另一个目的，其实现的技术方案可以是：

场效应晶体管手性传感器的制备方法，其中场效应晶体管的有源层为具有手性识别与检测功能的量子点材料，其特征制法包括步骤：I、在基底上通过溅射或蒸发的方法制备一层金属性的栅电极；II、在基底和栅电极上溅射或蒸发一层绝缘膜，将栅电极完全包裹；III、在绝缘膜上通过真空热蒸发、旋涂、喷墨打印或丝网印刷一层具有手性识别与检测功能的量子点材料，形成有源层；IV、最后在有源层上通过溅射或蒸发的方法制备金属的源/漏电极。

进一步地，前述的场效应晶体管手性传感器的制备方法，步骤III中所述有源层的量子点材料制法为先在水相中合成量子点，再将手性分子化学修饰到量子点上，形成溶胶凝胶的量子点薄膜。

本发明的另一个目的，还可以通过以下技术方案实现：

场效应晶体管手性传感器的制备方法，其中场效应晶体管的有源层为具有手性识别与检测功能的量子点材料，其特征制法包括步骤：I、在基底上通过溅射或蒸发的方法制备一层金属性的栅电极；II、在基底和栅电极上溅射或蒸发一层绝缘膜，将栅电极完全包裹；III、在绝缘膜上通过溅射或蒸发的方法制备金属的源/漏电极；IV、最后在绝缘膜和漏、源两电极上旋涂、喷墨打印或丝网印刷一层具有手性识别与检测功能的量子点材料，形成有源层。

进一步地，前述的场效应晶体管手性传感器的制备方法，步骤Ⅳ中所述有源层的量子点材料制法为先在水相中合成量子点，再将手性分子化学修饰到量子点上，形成溶胶凝胶的量子点薄膜。

实施本发明的技术方案，其有益效果为：

该场效应晶体管手性传感器通过对有源层选材的改进，将手性分子修饰到量子点上，制成薄膜作为场效应晶体管的有源层，利用量子点材料的特性配合手性选择剂材料灵活多样，使得传感器可以反复使用，实现较宽范围内多种手性物质的检测；且具有不污染待测体系，没有试剂消耗，减少环境污染，易于器件化等优点。此外，场效应晶体管的体积小，在应用方面可以减小检测器件的体积与成本。

附图说明

下面结合具体实施例及其附图对本发明创新实质作进一步地详细说明：

图1是顶接触型量子点场效应晶体管手性传感器的结构示意图；

图2是底接触型量子点场效应晶体管手性传感器的结构示意图。

具体实施方式

本发明所设计的量子点场效应晶体管手性传感器结合场效应晶体管的优势，旨在其有源层部分选择多种具有手性选择功能的材料。上述不同材料在对手性分子进行选择性反应后，通过外加电压，导致载流子迁移率、阈值电压、电流开关比和亚阈值斜率发生变化，测量晶体管的相关特性参数的改变，可以得到有关分子的类型，含量及浓度。进而可以实现一种体积小、成本低廉、可识别手性物质的传感器。

本发明量子点场效应晶体管手性传感器可利用场效应晶体管的全部结构，较为普遍的有顶接触型(如图1所示)和底接触型(如图2所示)的场效应晶体管，其基本结构至少包括基底1、栅电极2、栅绝缘层3、有源层4、源电极5及漏电极6，其中该量子点场效应晶体管的有源层4为具有手性识别与检测功能的量子点材料。以下结合附图，从两个方面分别对该量子点场效应晶体管手性传感器的制备方法进行说明：

实施例一

通过该制备方法所得到的是顶接触型的量子点场效应晶体管手性传感器：

步骤一，在基底1上溅射或蒸发一层10nm～500nm厚的栅电极2，栅电极由Ta、Ti、Cr、W、Mo、Au或Ag中的一种或两种构成。

步骤二，溅射或蒸发一层150nm～500nm厚的高介电常数栅绝缘层3，栅绝缘层由SiO₂、Ta₂O₅、Al₂O₃、TiO₂、BZT、或PZT中的一种或两种构成。

步骤三，通过旋涂、喷墨打印或丝网印刷一层10nm～500nm厚的有源层4，其中该有源层4可为经手性分子修饰的以下两种不同化合物之一或两种的组合形式。分别是：(a)II-VI族化合物；(b)III-V族化合物。

步骤四，在有源层4上溅射、喷墨打印或蒸发一层由Au、Ag、Ti、PEDOT：PSS等的一种或两种构成的源电极5和漏电极6。

实施例二

通过该制备方法所得到的是底接触型的量子点场效应晶体管手性传感器：

步骤一，在基底1上溅射或蒸发一层10nm～500nm厚的栅电极2，栅电极由Ta、Ti、Cr、W、Mo、Au或Ag中的一种或两种构成。

步骤二，溅射或蒸发一层150nm～500nm厚的高介电常数栅绝缘层3，栅绝缘层由SiO₂、Ta₂O₅、Al₂O₃、TiO₂、BZT、或PZT中的一种或两种构成。

步骤三，在栅绝缘层3上溅射、喷墨打印或蒸发一层由Au、Ag、Ti、PEDOT：PSS等的一种或两种构成的源电极5和漏电极6。

步骤四，在栅绝缘层3和源/漏电极上通过真空热蒸发、旋涂、喷墨打印或丝网印刷一层10nm～500nm厚的有源层4，其中该有源层4可为经手性分子修饰的以下两种不同化合物之一或两种的组合形式。分别是：(a)II-VI族化合物；(b)III-V族化合物。

从常规手性分子修饰的具体制备工艺来看：

CdCl₂，NaHTe，巯基乙酸的摩尔比率为1∶0.5∶2.5。即取95mgCdCl₂·2.5H₂O溶于5ml蒸馏水中，加入92mg巯基乙酸，调节pH＝11，将该溶液倒入100ml的三颈瓶中，装上直型冷凝管。接着通入N₂气30分钟，待体系中的空气排净后，打开冷凝水，向体系中注入新制的NaHTe溶液，控制油浴温度在60℃～90℃，加热2小时后室温下冷却。待温度下降后，关闭冷凝水，并停止通气，即制得水溶性CdTe量子点。将所制CdTe量子点稀释待用。

在室温下，在97mL蒸馏水中，依次加入1mL 0.01mol/LCdTe量子点水溶液和含有4mg的1mL硼氢化钠水溶液，溶液立刻变成黄色，搅拌20min，然后加入1mL 0.01mol/L的环糊精溶液，继续搅拌10min。反应停止后，离心得到固体反复用乙醇和水洗3次，然后再分散到水里，最后得到环糊精修饰的CdTe量子点。

具有荧光手性分子修饰的量子点的制备：

在上述常规手性分子修饰制备工艺的基础上，称取适量芘，配制成浓度为10mol/L芘的丙酮储备液。移取一定量芘的储备液于多个5mL的比色管中，用高纯氮气吹干除去丙酮后，加入不同量的环糊精修饰的量子点的水溶液，用反渗透水定容，超声震荡30分钟，放置18小时后，在激发波长为334nm的条件下进行荧光光谱的测定。

综上所述，本发明新型的量子点场效应晶体管手性传感器，设计独特巧妙且使用方便，即兼备了场效应晶体管的优势，又实现了快速的对手性物质进行检测。

以上仅是本发明的具体应用范例，对发明的保护范围不构成任何限制。凡采用有机场效应晶体管结构的器件制备的量子点场效应晶体管手性传感器，均落在本发明权利保护范围内。

Claims (7)

1.场效应晶体管手性传感器，包括基底、栅绝缘层、有源层、栅电极、源电极、漏电极的场效应晶体管基本结构，其特征在于：所述有源层为具有手性识别与检测功能的量子点材料层，所述量子点材料上修饰有手性分子，所述手性分子存在形式之一为大环类化合物，至少包括环糊精、杯芳烃、冠醚。

2.根据权利要求1所述的场效应晶体管手性传感器，其特征在于：所述量子点材料为经过手性分子修饰的尺寸小于100nm的半导体纳米微晶体。

3.根据权利要求1所述的场效应晶体管手性传感器，其特征在于：所述手性分子中的一类为具有荧光检测功能的手性分子。

4.权利要求1所述场效应晶体管手性传感器的制备方法，其中场效应晶体管的有源层为具有手性识别与检测功能的量子点材料层，其特征在于，该方法包括如下步骤：

I、在基底上通过溅射或蒸发的方法制备一层金属性的栅电极；

II、在基底和栅电极上溅射或蒸发一层绝缘膜，将栅电极完全包裹；

III、在绝缘膜上旋涂、喷墨打印或丝网印刷一层具有手性识别与检测功能的量子点材料，形成有源层；

IV、最后在有源层上通过溅射或蒸发的方法制备金属的源／漏电极。

5.根据权利要求4所述的场效应晶体管手性传感器的制备方法，其特征在于：步骤III中所述有源层的量子点材料制法为先在水相中合成量子点，再将手性分子化学修饰到量子点上，形成溶胶凝胶的量子点薄膜。

6.权利要求1所述场效应晶体管手性传感器的制备方法，其中场效应晶体管的有源层为具有手性识别与检测功能的量子点材料层，其特征在于，该方法包括如下步骤：

I、在基底上通过溅射或蒸发的方法制备一层金属性的栅电极；

II、在基底和栅电极上溅射或蒸发一层绝缘膜，将栅电极完全包裹；

III、在绝缘膜上通过溅射或蒸发的方法制备金属的源／漏电极；

IV、最后在绝缘膜和漏、源两电极上旋涂、喷墨打印或丝网印刷一层具有手性识别与检测功能的量子点材料，形成有源层。

7.根据权利要求6所述的场效应晶体管手性传感器的制备方法，其特征在于：步骤IV中所述有源层的量子点材料制法为先在水相中合成量子点，再将手性分子化学修饰到量子点上，形成溶胶凝胶的量子点薄膜。

Images