CN109870495A - 一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器，包括栅极(4)、源极(5)和漏极(6)，所述栅极(4)为硅片，表面覆有氧化硅层(3)，所述氧化硅层(3)表面形成所述源极(5)和漏极(6)，所述源极(5)和漏极(6)通过石墨烯纳米片层(2)相连接，在所述石墨烯纳米片层(2)表面修饰苄基三乙基氯化铵作为探针层(1)。与现有技术相比，本发明对水中硝酸根的检测限低，选择性高，可实现瞬时响应，且成本低、化学稳定性好，可重复利用。

Description

一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器

技术领域

本发明涉及一种化学传感器，尤其是涉及一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器。

背景技术

自然界中，硝酸根是溶解氮的主要存在形式，它也是造成水体富营养化的主要因素。随着人们与日俱增的环境关注与需求，水体富营养化污染指标的快速检测和实时监测已经成为时代发展的必然要求，而常规的硝酸根检测方法需消耗化学试剂，并且耗时较长，不适于对水体中的硝酸根进行实时、原位监测。

场效应晶体管(FET)传感器为半导体电阻型传感器，近年由于材料领域的飞速发展尤其是纳米材料的不断创新与突破，这种传感器得到了越来越广泛的关注和深入的研究，是一种十分有发展潜力的适用于快速检测的传感器类型。其结构基于场效应晶体管，通过半导体通道材料的合成和化学修饰，对被测物有选择性的物理或化学结合，引起通道材料半导体性质的变化，这种变化通常以通道材料电阻的变化为表现形式，从而定量被测物的含量。这类传感器的最大优势是高灵敏度(极低的检测下限)、快速响应(响应时间在秒数量级)、可以进行实时监测、小型化、电路简单等。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器，包括栅极、源极和漏极，所述栅极为硅片，表面覆有氧化硅层，所述氧化硅层表面形成所述源极和漏极，所述源极和漏极通过石墨烯纳米片层相连接，所述石墨烯纳米片层表面还布置有探针层。

优选的，所述氧化硅层厚度为300nm。

优选的，所述源极和漏极均为金电极，厚度为50nm。

优选的，所述源极和漏极通过叉指形貌交错形成叉指电极区域，所述叉指电极区域的宽度和间隙均为2μm。

优选的，所述石墨烯纳米片层沉积在叉指电极区域。

优选的，所述石墨烯纳米片层通过热还原氧化石墨烯法沉积得到。

优选的，石墨烯纳米片层的制备方法为：将浓度为0.0001mg/mL的氧化石墨烯水相分散液干燥后，置于400℃氩气氛围中，退火处理1小时。

优选的，所述探针层为苄基三乙基氯化铵通过化学修饰在石墨烯纳米片层表面。

优选的，所述探针层通过苄基三乙基氯化铵饱和溶液浸没的方式以π-π堆积作用修饰在石墨烯纳米片层表面。

优选的，所述苄基三乙基氯化铵饱和溶液浸没时间为12小时。

工作过程为：固定栅极电压，在源极和漏极间施加一个很小的偏压(0.1V)，通过外电路实时检测源极和漏极之间的电流。当含有硝酸根离子的待测溶液滴加至插指电极区域，硝酸根离子通过分子印迹效应与苄基三乙基氯化铵(TEBAC)相互结合，引起TEBAC发生电子云偏移，使石墨烯发生n型掺杂，从而引起石墨烯狄拉克点的变化，空穴浓度降低；外接电信号检测到与待测溶液的硝酸根离子浓度相对应的电信号变化，从而确定待测溶液的硝酸根离子浓度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明对水中硝酸根的检测限低，选择性高，可实现瞬时响应；

2、本发明成本低、化学稳定性好，可重复使用。

附图说明

图1为本发明的实物图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明对不同梯度浓度硝酸根的响应信号图；

图4为本发明对水中常见干扰离子的响应信号图。

图中标号所示：

1、探针层，2、石墨烯纳米片层，3、氧化硅层，4、栅极，5、源极，6、漏极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

参照图1-2所示，一种石墨烯场效应晶体管硝酸盐传感器，包括硅栅极4及沉积在硅栅极4上的氧化硅层3构成，氧化硅层3上以光刻法形成源极5、漏极6金电极对，金电极对之间的叉指电极区域沉积石墨烯纳米片层2，在石墨烯纳米片层2上修饰苄基三乙基氯化铵作为探针层1。

本发明所述石墨烯场效应晶体管硝酸盐传感器具体制作过程为：在叉指电极区域滴上一滴稀释的氧化石墨烯(GO)悬浊液(1μL，0.0001mg/mL)，经过红外灯照射1min烘干，形成氧化石墨烯层。接下来将其置于氩气氛围中，在温度设定为400℃的管式炉中退火处理1h，使氧化石墨烯(GO)层被还原为还原氧化石墨烯(rGO)层。冷却至室温后，在还原氧化石墨烯层上滴加一滴饱和的苄基三乙基氯化铵(TEBAC)水溶液，利用其苯环结构与石墨烯层形成π-π堆积作用从而相互连接，室温下放置12h形成稳定的探针层1，去离子水洗去多余TEBAC后得到石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器。其工作过程为：固定栅极4电压，在源极5和漏极6间施加一个很小的偏压(0.1V)，通过外电路实时检测源极5和漏极6之间的电流。当含有硝酸根离子的待测溶液滴加至插指电极区域，硝酸根离子通过分子印迹效应与TEBAC相互结合，引起TEBAC发生电子云偏移，使石墨烯发生n型掺杂，从而引起石墨烯狄拉克点的变化，空穴浓度降低；外接电信号检测到与待测溶液的硝酸根离子浓度相对应的电信号变化，从而确定待测溶液的硝酸根离子浓度。

配制28mg/L、2.8mg/L、0.28mg/L、0.028mg/L、0.0028mg/L硝酸钠溶液各10ml；将制备好的传感器固定在测试台上，将探针座针头连接传感器的源极5、漏极6上，接入半导体分析仪电路，设置硅栅极4接地，在传感器两端施加+0.1V的恒定电压；依次在传感器上通过移液枪逐滴(定量1μL)滴加0.0028mg/L硝酸钠溶液、0.028mg/L硝酸钠溶液、0.28mg/L硝酸钠溶液、2.8mg/L硝酸钠溶液，并通过半导体分析仪记录电流的实时变化情况，得到实时响应曲线见图3。从图中可以看出，每次滴加硝酸根溶液时，电流出现一个急剧下降的响应，响应时间在2～7秒内，之后稳定在一个新的较低浓度范围附近，说明传感器对硝酸根响应迅速，敏感性强。

配制浓度均为20μM的氯化钠溶液、硫酸钠溶液、硝酸钠离子溶液各10ml；将制备好的传感器固定在测试台上，将探针座针头连接传感器的源极5、漏极6上，接入半导体分析仪电路，设置硅栅极4接地，在传感器两端施加+0.1V的恒定电压；依次在传感器上通过移液枪逐滴(定量1μL)滴加20μM氯化钠溶液、20μM硫酸钠溶液、20μM硝酸钠溶液，并通过半导体分析仪记录电流随时间变化关系，得到实时响应曲线如图4。从图中可以看出，传感器对水体中硝酸根具有明显响应而对其他干扰离子(氯离子、硫酸根离子)的响应情况十分微弱，说明传感器的选择性好，对常见的干扰离子抗干扰能力强。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器，其特征在于，包括栅极(4)、源极(5)和漏极(6)，所述栅极(4)为硅片，表面覆有氧化硅层(3)，所述氧化硅层(3)表面形成所述源极(5)和漏极(6)，所述源极(5)和漏极(6)通过石墨烯纳米片层(2)相连接，在所述石墨烯纳米片层(2)表面修饰苄基三乙基氯化铵作为探针层(1)。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器，其特征在于，所述氧化硅层(3)厚度为300nm。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器，其特征在于，所述源极(5)和漏极(6)均为金电极，厚度为50nm。

4.根据权利要求1所述的一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器，其特征在于，所述源极(5)和漏极(6)通过叉指形貌交错形成叉指电极区域，所述叉指电极区域的宽度和间隙均为2μm。

5.根据权利要求4所述的一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器，其特征在于，所述石墨烯纳米片层(2)沉积在叉指电极区域。

6.根据权利要求1所述的一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器，其特征在于，所述石墨烯纳米片层(2)通过热还原氧化石墨烯法沉积得到。

7.根据权利要求6所述的一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器，其特征在于，石墨烯纳米片层(2)的制备方法为：将浓度为0.0001mg/mL的氧化石墨烯水相分散液干燥后，置于400℃氩气氛围中，退火处理1小时。

8.根据权利要求1所述的一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器，其特征在于，所述探针层(1)为苄基三乙基氯化铵通过化学修饰在石墨烯纳米片层(2)表面。

9.根据权利要求8所述的一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器，其特征在于，所述探针层(1)通过苄基三乙基氯化铵饱和溶液浸没的方式以π-π堆积作用修饰在石墨烯纳米片层(2)表面。

10.根据权利要求9所述的一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器，其特征在于，所述苄基三乙基氯化铵饱和溶液浸没时间为12小时。