CN106226377A - 一种基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器，所述生物传感器包括衬底，衬底上设有沟道层，所述沟道层上设有功能化石墨烯层，所述功能化石墨烯层的两端设有源电极和漏电极，所述功能化石墨烯层中间部分表面固定连接生物识别分子，其制备方法包括如下：(1)以金属箔为基底，生长石墨烯薄膜，将石墨烯薄膜转移至衬底上，作为沟道层；(2)再在沟道层上形成一层石墨烯层，通过脉冲等离子法形成活性基团功能化石墨烯层；(3)通过光刻和蒸镀工艺，在功能化石墨烯层的两端形成源电极和漏电极；在功能化石墨烯层中间部分的表面固定连接生物识别分子，得到基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器。所述生物传感器具有高检测灵敏度和检测速度。

Description

一种基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及到生物传感器的技术领域，特别涉及到一种基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器及其制备方法。
背景技术
近年来，已有多种纳米材料用于制备场效应晶体管，用于生物传感器，如碳纳米管、硅纳米线、石墨烯等。其中石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维纳米材料，其极高的电子迁移率、双极性场效应等特性，特别适用于场效应晶体管，石墨烯优异的性质，可以用来提高生物传感器的检测灵敏度和选择性。
现有技术中，石墨烯场效应晶体管作为生物传感器时，为了实现检测的选择性，需要在石墨烯表面修饰生物识别分子，如抗体、酶、核酸等。为了实现生物识别分子的修饰，往往需要在石墨烯上先修饰连接层，如芘类化合物、金属纳米粒子、直接对石墨烯进行功能化等。专利201410750676.2使用1-羟基琥珀酰亚胺酯-1-芘丁酸(PASE)作为连接剂，首先将石墨烯场效应晶体管在室温下，置于PASE的DMSO溶液中1h，PASE一端的芘基通过π-π键与石墨烯紧密连接。然后将PASE修饰后的石墨烯场效应晶体管在室温下，置于PNA探针的溶液中2h，另一端的酰胺键与PNA探针的氨基发生反应，从而固定住PNA探针。完成上述工艺步骤后，即用于检测能与PNA杂交的DNA。此外1-芘丁酸也被用作连接剂，使用时需使用NHS/EDC活化-COOH。
纳米粒子常被用于连接层，其中纳米金粒子(AuNPs)最为普遍，AuNPs是至直径在1-100nm的金颗粒，它具有很好的生物相容性并能够与多种生物分子相结合。蔡冰洁在其毕业论文中，将石墨烯场效应晶体管浸入HAuCl4的溶液中反应30min，即得到了AuNPs修饰的石墨烯。通过Au-S共价键，在AuNPs表面修饰巯基乙胺，连接层上有了胺基，再通过戊二醛固定PNA探针或者酶等。
以上两种方法，都是基于非共价键的，为了更加牢固的固定生物识别分子，人们直接对导电沟道石墨烯进行共价键功能化，如胺基石墨烯、羧基石墨烯等，但共价键的引入，破坏了石墨烯的结构，极大的降低了石墨烯的电子迁移率。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器及其制备方法，采用双层石墨烯薄膜作为导电沟道层，并利用功能化石墨烯，做为连接生物识别分子的连接层，具有高的检测灵敏度和检测速度。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器的制备方法，所述生物传感器包括衬底，衬底上设有沟道层，所述沟道层上设有功能化石墨烯层，所述功能化石墨烯层的两端设有源电极和漏电极，所述功能化石墨烯层中间部分表面固定连接生物识别分子，其制备方法包括如下：
(1)以金属箔为基底，生长双层石墨烯薄膜，将石墨烯薄膜转移至衬底上，作为沟道层；
(2)再在沟道层上形成一层石墨烯层，通过脉冲等离子法形成活性基团功能化石墨烯层；
(3)通过光刻和蒸镀工艺，在功能化石墨烯层的两端形成源电极和漏电极；
(4)在功能化石墨烯层中间部分的表面固定连接生物识别分子，得到基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器。
优选的，所述沟道层为双层石墨烯薄膜，其采用CVD法生长，并通过PMMA法、TRT法、PDMS法、电化学转移法或者鼓泡转移法转移至衬底上。
优选的，所述衬底为镀有SiO2的Si片、PET或者PDMS。
优选的，所述沟道层上的石墨烯层为CVD法制备的石墨烯薄膜或者还原氧化石墨烯微片或者剥离法得到的石墨烯微片。
优选的，所述功能化石墨烯层为氨基功能化石墨烯层或者羧基功能化石墨烯层。
优选的，所述源电极和漏电极为金属电极。
优选的，所述生物识别分子为生物酶或者核酸。
优选的，所述生物传感器还包括液栅电极，采用Ag/AgCl或者铂丝插入被测液体样品作为栅极。
本发明采用以上技术方案，采用双层石墨烯薄膜作为导电沟道层，打开石墨烯带隙，提高对电流的调制能力，可以进一步地提高生物传感器的检测灵敏度和检测速度，特别是对超低含量生物分子的检测；并在沟道层上形成功能化石墨烯层，做为连接生物识别分子的连接层，作为沟道层的双层石墨烯薄膜结构保持完整，电子迁移率所受影响不大,保有极高迁移率，使生物传感器检测保持稳定的灵敏性。
附图说明
图1为本发明基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点更加的清晰，以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式做出更为详细的说明，在下面的描述中，阐述了很多具体的细节以便于充分的理解本发明，但是本发明能够以很多不同于描述的其他方式来实施。因此，本发明不受以下公开的具体实施的限制。
一种基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器的制备方法，所述生物传感器如图1所示，包括衬底1，衬底1上设有沟道层2，所述沟道层2上设有功能化石墨烯层3，所述功能化石墨烯层3的两端设有源电极4和漏电极5，所述功能化石墨烯层3中间部分表面固定连接生物识别分子6，其制备方法包括如下：
(1)以金属箔为基底，生长石墨烯薄膜，将石墨烯薄膜转移至衬底上，作为沟道层；
(2)再在沟道层上形成一层石墨烯层，通过脉冲等离子法形成活性基团功能化石墨烯层；
(3)通过光刻和蒸镀工艺，在功能化石墨烯层的两端形成源电极和漏电极；
(4)在功能化石墨烯层中间部分的表面固定连接生物识别分子，得到基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器。
其中，所述沟道层为双层石墨烯薄膜，其采用CVD法生长，并通过PMMA法、TRT法、PDMS法、电化学转移法或者鼓泡转移法转移至衬底上。
其中，所述衬底为镀有SiO2的Si片、PET或者PDMS。
其中，所述石墨烯层为CVD法制备的石墨烯薄膜或者还原氧化石墨烯微片或者剥离法得到的石墨烯微片。
其中，所述功能化石墨烯层为氨基功能化石墨烯层或者羧基功能化石墨烯层。
其中，所述源电极和漏电极为金属电极。
其中，所述生物识别分子为生物酶或者核酸。
其中，所述生物传感器还包括液栅电极7，采用Ag/AgCl或者铂丝插入被测液体样品作为栅极。
实施例
以氨气等离子体制备氨基功能化石墨烯，制作多层石墨烯场效应晶体管生物传感器用于葡萄糖的检测。
一种基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器的制备方法，所述生物传感器如图1所示，包括衬底1，衬底1上设有沟道层2，所述沟道层2上设有功能化石墨烯层3，所述功能化石墨烯层3的两端设有源电极4和漏电极5，所述功能化石墨烯层3中间部分表面固定连接生物识别分子6，其制备方法包括如下：
(1)以金属箔为基底，生长石墨烯薄膜，将石墨烯薄膜转移至衬底上，作为沟道层：1)CVD法制备双层石墨烯：将厚度为100μm的Cu-Ni合金(Ni含量为20-40％)，裁剪层5cm×10cm的长方形。采用常压化学气相沉积(APCVD)在Cu-Ni合金上生长石墨烯，将Cu-Ni合金放入石英管内，首先通入100-300sccm氩气和10-50ccm氢气，在950-1045℃下，退火1-3h；然后通入0.1-1.0sccm的甲烷和100-500sccm的氢气，生长石墨烯，0.5-1h后，停止通入甲烷和氢气，通入10-60s的氩气(流量为100-1000sccm)，最后通入100-300sccm氩气和1-4sccm氢气，以10-30℃/s的速度冷却至室温，即在Cu-Ni合金上完成了双层石墨烯的生长(Cu-Ni石墨烯)；2)采用PMMA法将双层石墨烯转移到基底上。将Cu-Ni石墨烯裁剪成1cm×1cm的正方形，配制质量浓度为2-4％的PMMA溶液，将其涂布在Cu-Ni石墨烯上，150℃烘烤10min，形成牢固的PMMA保护层。室温下，将PMMA/Cu-Ni石墨烯置于0.1-1.0mol/LFeCl3/HCl溶液中刻蚀05-1h，刻蚀完成后，在离子水中浸泡1h，清洗干净。其中，基底为镀有SiO2的Si片，SiO2的厚度为100-300nm，将PMMA/石墨烯转移在衬底上，丙酮去掉PMMA，乙醇、去离子水清洗干净，N2吹干。即在Si/SiO2上转移了双层石墨烯。
(2)再在沟道层上形成一层石墨烯层，通过脉冲等离子法形成活性基团功能化石墨烯层：1)用改良的Hummer’s法制备氧化石墨烯(GO)，然后将GO加入98％的肼(GO含量为1-2mg/mL)，超声10-30min，得到还原氧化石墨烯(rGO)。采用旋转涂布工艺，将rGO涂布在(2)中的双层石墨烯上，rGO的浓度为1-5mg/mL，涂布转速为1000-1500rpm，10s；2500-3000rpm，15s。2)上层石墨烯的功能化。用NH3等离子体处理石墨烯，使上层石墨烯被修饰上-NH2。采用脉冲等离子工艺，腔室压强为50-100mTorr，NH3等离子体处理参数为50-150sccm氩气、0.25-1.0sccmNH3，功率为60-100W，时间为50-100s(每2s，等离子处理2ms，即等离子处理的时间为5-10s)。将器件置于浓度为5mM-20mM的硼氢化钠的甲醇溶液中5-10h，即制备了-NH2功能化的石墨烯，而下层石墨烯结构未被破坏，电子迁移率所受影响不大，保有极高迁移率。
(3)通过光刻和蒸镀工艺，在功能化石墨烯层的两端形成源电极和漏电极：采用光刻工艺、电子束蒸镀工艺、剥离等工艺，制备了以双层石墨烯为导电沟道的场效应晶体管，源、漏极为5-10nm Cr和30-50nm Au构成，导电沟道长为10-20μm，长为20-30μm，采用液栅工艺，将铂丝为插入被样品溶液中作为栅极。
(4)在功能化石墨烯层中间部分的表面固定连接生物识别分子，得到基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器：1)戊二醛是反应条件温和，在生物传感器中，常被用于固定剂使用。戊二醛的浓度为0.2％-2％(体积分数)，溶剂为pH＝7.4的磷酸盐缓冲溶液(PBS)，将功能化石墨烯器件放入戊二醛溶液中，室温下静置2-5h后，用PBS溶液、去离子水冲洗。戊二醛一端的-CHO与石墨烯上的-NH2形成共价键。2)将上述得到的器件放入葡萄糖氧化酶(GOD)溶液中，浓度为5-15mg/mL,溶剂为pH＝7.4的PBS溶液，室温下静置2-5h后，用PBS溶液、去离子水冲洗。戊二醛另一端的-CHO与GOD中的-NH2形成共价键，GOD被牢固的负载在石墨烯表面。3)室温下置于50-100mM的乙醇胺溶液中1-2h，封闭未反应的-CHO，防止非特异性吸附。随后用水冲洗干净，N2吹干，得到基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器，可用于葡萄糖的检测，检测灵敏度和准确度高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器的制备方法，其特征在于，所述生物传感器包括衬底，衬底上设有沟道层，所述沟道层上设有功能化石墨烯层，所述功能化石墨烯层的两端设有源电极和漏电极，所述功能化石墨烯层中间部分表面固定连接生物识别分子，其制备方法包括如下：
(1)以金属箔为基底，生长双层石墨烯薄膜，将双层石墨烯薄膜转移至衬底上，作为沟道层；
(2)再在沟道层上形成一层石墨烯层，通过脉冲等离子法形成活性基团功能化石墨烯层；
(3)通过光刻和蒸镀工艺，在功能化石墨烯层的两端形成源电极和漏电极；
(4)在功能化石墨烯层中间部分的表面固定连接生物识别分子，得到基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器的制备方法，其特征在于，所述沟道层为双层石墨烯薄膜，其采用CVD法生长，并通过PMMA法、TRT法、PDMS法、电化学转移法或者鼓泡转移法转移至衬底上。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器的制备方法，其特征在于，所述衬底为镀有SiO2的Si片、PET或者PDMS。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器的制备方法，其特征在于，所述石墨烯层为CVD法制备的石墨烯薄膜或者还原氧化石墨烯微片或者剥离法得到的石墨烯微片。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器的制备方法，其特征在于，所述功能化石墨烯层为氨基功能化石墨烯层或者羧基功能化石墨烯层。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器的制备方法，其特征在于，所述源电极和漏电极为金属电极。
7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器的制备方法，其特征在于，所述生物识别分子为生物酶或者核酸。
8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的场效应晶体管生物传感器的制备方法，其特征在于，所述生物传感器还包括液栅电极，采用Ag/AgCl或者铂丝插入被测液体样品作为栅极。
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