CN110389227A - 顶栅底接触结构器件及其制备方法 - Google Patents

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CN110389227A CN201811084217.XA CN201811084217A CN110389227A CN 110389227 A CN110389227 A CN 110389227A CN 201811084217 A CN201811084217 A CN 201811084217A CN 110389227 A CN110389227 A CN 110389227A
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程姗姗
张丛丛
胡文平
王利维
王勇
卢小泉
司珂
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Abstract

本发明公开了一种顶栅底接触结构器件及其制备方法,全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管，包括：基底、RGO层、semi‑RGO层和GO层，RGO层为多对，每对RGO层为2个且分别作为全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管上一FET的源电极和漏电极，2个RGO层负载在基底上，semi‑RGO层负载在RGO层和该RGO层四周的基底上并作为半导体层，GO层负载在semi‑RGO层上。本发明全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管可满足于提供价廉、无标识并且快速简便的实时检测需求，并且为溶液相检测提供了新思路。该全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管构建的生物传感器可达到同时检测不同种癌症标志物的目的，有效降低了财力物力耗损，提高了传感灵敏度、稳定性和选择性。

Description

顶栅底接触结构器件及其制备方法
技术领域
本发明属于生物传感器技术领域，具体来说涉及一种顶栅底接触结构器件及其制备方法。
背景技术
癌症的早期诊断可以实现癌症的及早发现与尽早治疗,从而显著提高治疗的针对性与患者的存活率。目前在临床诊断中，检测癌症标志物被公认为一种有效的癌症早期诊断方法。石墨烯基场效应晶体管被认为是构建免疫传感器的有效载体，其可满足于提供价廉、无标识并且快速简便的实时检测需求。然而此类传感器的综合性能，特别是对于检测溶液相物质时所表现出的稳定性和选择性有待提高。与此同时，人类癌症疾病多种多样，不同种癌症标志物种类纷繁复杂，逐一检测的传统方法大大增加了财力物力的消耗，这也是推进实际应用时所面临的挑战。综上所述，由于癌症早期诊断相对繁琐，进而需要探索适宜的手段来更加便捷有效的对癌症标志物进行检测。这也是将该类传感技术推向临床诊断的关键一步，将极大地推进该类传感器的实用化、普及化进程，具有重要的科学意义和潜在的应用价值。
发明内容
为克服以上缺陷，实现多癌症标志物的同时分析检测，本发明的目的是提供一种全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管(ACI-ARGO-FETs)的制备方法。
本发明的另一目的是提供一种全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管(顶栅底接触结构器件)，其以该全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管为载体，通过不同还原条件获得还原程度不同的石墨烯衍生物分别作为源电极、漏电极与半导体层，以介电性能优良且生物相容性良好的氧化石墨作为保护层并引入敏感探针，同时在同一基底上构筑多个FET(场效应晶体管)，最终发展为一类可提供高稳定性、高选择性和多目标物同时检测的免疫传感器。
本发明的另一目的是提供一种基于该全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管构建生物传感器的方法。
为了解决上述技术问题，本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管，包括：基底、RGO层、semi-RGO层和GO层，所述RGO层为多对，每对RGO层为2个且分别作为所述全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管上一FET的源电极和漏电极，2个所述RGO层相互平行并负载在所述基底上，所述semi-RGO层负载在所述RGO层和该RGO层四周的基底上并作为半导体层，所述GO层负载在所述semi-RGO层上。
在上述技术方案中，所述GO层的厚度为2～15nm。
在上述技术方案中，所述semi-RGO层的厚度为2～15nm。
在上述技术方案中，所述RGO层的厚度为2～15nm。
在上述技术方案中，所述基底的厚度为400～500μm。
上述全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在氧气环境下，用等离子体对基底处理5～25min；
步骤2，第一次制备GO层：在步骤1所得基底上重复制备GO单层的方法2～11次，用于在该基底上形成由多层GO单层组成的GO层；
步骤3，在还原气氛条件下，将步骤2所得基底于180～500℃保温8～15h，得到负载有RGO层的基底；
在所述步骤3中，将基底放置于管式炉中于180～500℃保温8～15h，管式炉的升温速度为1～10℃/min。
在所述步骤3中，步骤3所得基底上负载的RGO层为一整片。
步骤4，在步骤3所得负载有RGO层的基底上粘贴掩膜版，再蒸镀厚度为20～90nm的铝膜，蒸镀后取下所述掩膜版，再在氧气环境下，采用等离子体处理基底5～30min，用于去除未被铝膜覆盖的RGO层以形成漏电极和源电极；将所述基底浸泡到30～100℃的稀硝酸水溶液中30～60min，取出基底后清洗所述基底；
在所述步骤4中，所述掩膜版的W/L(宽长比)为8。
在所述步骤4中，所述稀硝酸水溶液中稀硝酸的体积分数为10～20％，用于去除铝膜。
步骤5，第二次制备GO层：在步骤4所得基底上重复制备GO单层的方法2～11次，以在RGO层和该RGO层四周的基底上形成由多层GO单层组成的GO层；
步骤6，在还原气氛条件下，将步骤5所得基底于80～160℃保温4～8h，以使步骤 5所得GO层形成semi-RGO层；
在所述步骤6中，将基底放置于管式炉中于80～160℃保温4～8h，管式炉的升温速度为1～10℃/min。
步骤7，第三次制备GO层：在步骤6所得semi-RGO层上重复制备GO单层的方法2～11次，以在semi-RGO层上形成由多层GO单层组成的GO层；其中，
制备GO单层的方法：将基底放入硅烷偶联剂溶液中浸泡10～120min，取出基底进行第一清洗；对第一清洗后的基底的表面进行室温干燥，将室温干燥后的基底置于GO 溶液中浸泡10～120min，取出基底进行第二清洗；
在上述技术方案中，所述第一清洗的次数为3～10次，每次第一清洗的方法为：将基底放入水中洗涤一次，洗涤后再将基底浸入水中超声5～20min。
在上述技术方案中，所述第二清洗的次数为4～11次，每次第二清洗的方法为：将基底放入水中洗涤一次，洗涤后再将基底浸入水中超声5～30min。
在上述技术方案中，所述氧气环境为通过通入20～30sccm的氧气气流实现，用等离子体对基底处理时的rf功率(射频功率)为60～200W。
在上述技术方案中，硅烷偶联剂溶液的制备方法为：向乙醇水溶液中加入硅烷偶联剂，混合均匀后得到所述硅烷偶联剂溶液，其中，按体积份数计，所述乙醇水溶液中乙醇和水的比为(80～100)：5；按体积份数计，所述硅烷偶联剂与所述乙醇水溶液的比为 (1～10)：(90～99)；
在上述技术方案中，GO溶液的制备方法为：将30～50体积份数的浓H2SO4和1～3 质量份数的NaNO3混合均匀，在冰浴条件下反应10～20min，待所述浓H2SO4和NaNO3的混合物的温度低于5℃时，向所述混合物中加入2～5质量份数的325～8000目的石墨粉并混合均匀，再加入6～10质量份数的KMnO4，在室温20～25℃反应2～2.5h后再于 35～40℃水浴反应1～1.5h；再加入90～95体积份数的去离子水，升温至90～100℃反应 15～20min，加入去离子水定容至280～300体积份数，定容后加入5～6体积份数且体积浓度为20～30％的H2O2水溶液，以使溶液由棕黑色变为鲜亮的黄色；将鲜亮的黄色溶液离心，离心后先后依次进行酸洗和水洗，得到固体为氧化石墨烯(GO)，将所述氧化石墨烯放入去离子水中超声处理1～1.5h，得到浓度为1～5mg/mL的GO溶液(氧化石墨烯溶液)；
在上述技术方案中，将鲜亮的黄色溶液离心，离心后先后依次进行酸洗和水洗的步骤为：将鲜亮的黄色溶液离心，离心后移除上层清液，再加入体积浓度为5～10％的稀盐酸洗涤，离心后移除上层清液，再加入去离子水洗涤至上层清液pH为中性，离心后得到所述固体。
在上述技术方案中，所述冰浴条件的温度为0～5℃。
在上述技术方案中，选用搅拌或者超声进行混合均匀。
在上述技术方案中，当选用搅拌进行混合均匀时，加入所述石墨粉后搅拌至少10min。
在上述技术方案中，当所述体积份数的单位为mL时，所述质量份数的单位为g。
在上述技术方案中，所述浓H2SO4的浓度为96～98wt％。
上述全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管构建生物传感器的方法(顶栅底接触结构器件在构建生物传感器中的应用)，包括以下步骤：
1)在全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管上，以含有一个源电极和一个漏电极作为一个FET，在所述全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的一个FET的表面滴加5～15μL交联剂溶液并孵育0.5～2h，用磷酸缓冲盐溶液冲洗该FET的表面，其中，交联剂溶液中的交联剂为戊二醛、多肽缩合试剂HATU或1-芘丁酸亚胺酯；
在所述步骤1)中，所述交联剂溶液的溶剂为1×PBS。
在所述步骤1)中，所述交联剂溶液中交联剂的体积浓度为2～10％。
2)将5～20μL浓度为50～150μg mL-1的抗体溶液滴加在所述FET的表面并于室温20～25℃孵化1～2h；
在所述步骤2)中，所述抗体溶液的溶剂为1×PBS。
3)用磷酸缓冲盐溶液冲洗该FET的表面，再在FET的表面滴加5～20μL的封闭剂并反应1～2h，用于避免非特异性吸附到全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的栅极表面；
4)用磷酸缓冲盐溶液冲洗所述FET的表面，于室温20～25℃干燥至少2s后测试该FET的转移曲线并得到狄拉克点数值D1；
5)将40～60μL待测溶液滴加在步骤4)所得的FET的表面，于室温20～25℃孵化 1～3h，用磷酸缓冲盐溶液冲洗所述FET的表面，并于室温20～25℃下干燥至少2s，测试转移曲线并得到狄拉克点数值D2；
6)计算ΔD＝D2-D1并将所得差值狄拉克点电压差ΔD记做传感输出信号。
在上述技术方案中，所述磷酸缓冲盐溶液为0.01×PBS。
在上述技术方案中，所述封闭剂为牛血清蛋白溶液或乙醇胺溶液，所述牛血清蛋白溶液的浓度为1～2wt％，所述乙醇胺溶液的浓度为10～15mM。
在上述技术方案中，所述牛血清蛋白溶液的溶剂为1×PBS。
在上述技术方案中，所述磷酸缓冲盐溶液的pH为7～8。
在上述技术方案中，所述待测溶液中待测的抗原能够诱发所述抗体溶液中的抗体。
在上述技术方案中，所述待测溶液的溶剂为人血清。
上述方法基于全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管构建的生物传感器的应用，能够同时检测两种待测溶液。
相对比于目前现有的癌症诊断技术，本发明全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管可满足于提供价廉、无标识并且快速简便的实时检测需求，并且为溶液相检测提供了新思路。该全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管构建的生物传感器可达到同时检测不同种癌症标志物的目的，有效降低了财力物力耗损，提高了传感灵敏度、稳定性和选择性。
附图说明
图1为实施例1所制备的全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管中RGO层的光学显微镜图，标尺为50μm；
图2为本发明的5层石墨烯衍生物薄膜(重复制备GO单层的方法5次)的电流-电压(I-V)曲线图；
图3为实施例1所得全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的典型双极性传输特性曲线及回滞图线；
图4为本发明的实施例2所得全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的典型双极性传输特性曲线及回滞图线；
图5为本发明的实施例3所得全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的典型双极性传输特性曲线及回滞图线；
图6为本发明的实施例4中所得全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的典型双极性传输特性曲线及回滞图线；
图7为实施例1制备得到的100个全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的(a)空穴和(b)电子迁移率的分布；
图8为根据实例1条件制备100个全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的开关比率的分布；
图9(a)为在实施例5-1条件下滴加细胞角蛋白片段21-1抗体固定在全还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器表面的AFM图像；
图9(b)为在实施例5-2条件下甲胎蛋白抗体固定在全还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器表面的AFM图像；
图9(c)为在实施例7条件下细胞角蛋白片段21-1抗体固定在全还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器表面的AFM图像；
图9(d)为在实施例7条件下甲胎蛋白抗体固定在全还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器表面的AFM图像；
图9(e)为在实施例8条件下细胞角蛋白片段21-1抗体固定在全还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器表面的AFM图像；
图9(f)为在实施例8条件下甲胎蛋白抗体固定在全还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器表面的AFM图像；
图9(g)为在实施例9条件下细胞角蛋白片段21-1抗体固定在全还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器表面的AFM图像；
图9(h)为在实施例9条件下甲胎蛋白抗体固定在全还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器表面的AFM图像。
图10为实施例5-2的全还原氧化石墨烯场效应晶体管表面的显微镜荧光图像；
图11为本发明实施例5-1～5-4所得的ΔD；
图12为本发明的生物传感器的浓度依赖性检测；
图13为全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管。
具体实施方式
本发明所用原料均采用市售化学纯试剂，其中，8000目石墨粉、硅烷偶联剂和人血清购买自Sigma-Aldrich西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司，浓H2SO4、NaNO3、KMnO4、 H2O2和HCl购买自天津市元立化工有限公司，无水乙醇购买自天津希恩思奥普德科技有限公司，HNO3和异丙醇购买自天津市江天化工技术有限公司，细胞角蛋白片段21-1抗原抗体、甲胎蛋白抗原抗体、戊二醛、牛血清蛋白购买自上海翊圣生物科技有限公司，荧光标记抗体购买自济南昆腾商贸有限公司。
1×PBS为0.2g KCl、0.2g KH2PO4、8g NaCl和3g Na2HPO4溶解在1升二次水中配制而成，0.01×PBS为1×PBS稀释100倍得到。
在本发明的实施例中，探针台所用仪器的型号为Keithley 4200-SCS；AFM所用仪器的型号为Bruker,Germany；共聚焦显微镜所用仪器的型号为Zeiss LSM780,Germany。
当体积份数的单位为mL时，质量份数的单位为g。
在下述实施例中：
硅烷偶联剂溶液的制备方法为：向乙醇水溶液中加入硅烷偶联剂，混合均匀后得到硅烷偶联剂溶液，其中，按体积份数计，乙醇水溶液中乙醇和水的比为90：5；按体积份数计，硅烷偶联剂与乙醇水溶液的比为1：99；
GO溶液的制备方法为：在烧杯中，将40体积份数的浓H2SO4和2质量份数的NaNO3混合均匀，在冰浴条件(冰浴条件的温度为3℃)下反应15min，待浓H2SO4(浓H2SO4的浓度为98wt％)和NaNO3的混合物的温度低于5℃时，向混合物中加入2质量份数的8000目的石墨粉并搅拌15min混合均匀，再加入7质量份数的KMnO4，在室温 20～25℃反应2h后再于35℃水浴中反应1h；再加入90体积份数的去离子水，升温至 98℃反应15min，加入去离子水定容至280体积份数，定容后加入5体积份数且体积浓度为30％的H2O2水溶液，以使溶液由棕黑色变为鲜亮的黄色；将鲜亮的黄色溶液离心，离心后移除上层清液，再加入体积浓度为5％的稀盐酸洗涤，离心后移除上层清液，再加入去离子水洗涤至上层清液pH为中性，离心后得到固体为氧化石墨烯(GO)。将氧化石墨烯放入去离子水中超声处理1h，得到浓度为2mg/mL的GO溶液(氧化石墨烯溶液)。
制备GO单层的方法：将基底放入硅烷偶联剂溶液中浸泡20min，取出基底进行第一清洗；对第一清洗后的基底的表面进行室温干燥，将室温干燥后的基底置于GO溶液中浸泡30min，取出基底进行第二清洗；其中，第一清洗的次数为3次，每次第一清洗的方法为：将基底放入超纯水中洗涤一次(洗涤一次的定义为：将基底放入超纯水中用手震荡装载的容器30s后取出，如此反复循环3次)，洗涤后再将基底浸入水中超声20 min。第二清洗的次数为4次，每次第二清洗的方法为：将基底放入水中洗涤一次，洗涤后再将基底浸入水中超声30min。
磷酸缓冲盐溶液为0.01×PBS，用1×PBS配置而成，磷酸缓冲盐溶液的pH为7.4。
如图13所示，一种全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管，包括：厚度为400～500μm的基底、RGO层、semi-RGO层和GO层，RGO层为多对，每对RGO层为 2个且分别作为全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管上一FET的源电极和漏电极，2个RGO层相互平行并负载在基底上，RGO层的厚度为2～15nm。semi-RGO层负载在RGO层和该RGO层四周的基底上并作为半导体层，semi-RGO层的厚度为2～15nm。 GO层负载在semi-RGO层上，GO层的厚度为2～15nm。
实施例1～4
上述全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在氧气环境下，用等离子体对基底处理10min；氧气环境为通过通入20sccm的氧气气流实现，用等离子体对基底处理时的rf功率为200W。
步骤2，第一次制备GO层：在步骤1所得基底上重复制备GO单层的方法5次，以在该基底上形成由多层GO单层组成的GO层；
步骤3，在还原气氛条件下，将步骤2所得基底于管式炉中于T1℃保温12h，得到负载有RGO层的基底；管式炉的升温速度为5℃/min。
步骤4，在步骤3所得负载有RGO层的基底上粘贴掩膜版，再蒸镀厚度为60nm的铝膜，蒸镀后取下掩膜版(W/L为8)，再在氧气环境下，采用等离子体处理基底10min，用于去除未被铝膜覆盖的RGO层；将基底浸泡到80℃的稀硝酸水溶液中60min，取出基底后清洗基底；其中，稀硝酸水溶液中稀硝酸的体积分数为10％，用于去除铝膜。
步骤5，第二次制备GO层：在步骤4所得基底上重复制备GO单层的方法5次，以在RGO层和该RGO层四周的基底上形成由多层GO单层组成的GO层；
步骤6，在还原气氛条件下，将步骤5所得基底于管式炉中于T2℃保温8h，以使步骤5所得GO层形成semi-RGO层；管式炉的升温速度为5℃/min。
步骤7，第三次制备GO层：在步骤6所得semi-RGO层上重复制备GO单层的方法 5次，以在semi-RGO层上形成由多层GO单层组成的GO层。
实施例1～4中的T1和T2具体见表1。
表1
实施例5
一种全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管构建生物传感器的方法，包括以下步骤：
1)以含有一个源电极和一个漏电极作为一个FET，在实施例1所得全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的一个FET的表面滴加10μL交联剂溶液(溶剂为1× PBS)并孵育0.5h，用磷酸缓冲盐溶液(0.1×PBS)冲洗该全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的表面3次，其中，交联剂溶液中的交联剂为戊二醛，戊二醛在交联剂溶液中的体积浓度为3％；
2)将抗体溶液滴加在所述FET的表面并于室温20～25℃孵化1h，其中，抗体溶液的体积为5μL，抗体溶液(溶剂为1×PBS)中抗体为浓度100μg mL-1的K，K详见表 2。
3)用磷酸缓冲盐溶液冲洗该FET的表面3次，再在FET的表面滴加5μL的封闭剂并反应1h，用于避免非特异性吸附到全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的栅极表面；其中，封闭剂为牛血清蛋白溶液(溶剂为1×PBS)，该牛血清蛋白溶液中牛血清蛋白的浓度为1wt％。
4)用磷酸缓冲盐溶液冲洗该FET的表面3次，于室温20～25℃干燥2s后测试转移曲线并得到狄拉克点数值D1。
5)将40μL待测溶液滴加在步骤4)所得的FET的表面，于室温20～25℃孵化1h，用磷酸缓冲盐溶液冲洗该FET的表面3次，并于室温20～25℃下干燥至少2s，测试转移曲线并得到狄拉克点数值D2；
6)计算D2-D1并将所得差值狄拉克点电压差ΔD记做传感输出信号。
实施例5中的待测溶液成分及体积配比具体见表2。
表2
基于全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管构建的生物传感器的应用，能够同时检测两种待测溶液，具体见实施例6。
实施例6
一种全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管构建生物传感器的方法，包括以下步骤：
1)以含有一个源电极和一个漏电极作为一个FET，在实施例1所得全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的两个FET的表面各滴加10μL交联剂溶液(溶剂为1× PBS)并孵育0.5h，用磷酸缓冲盐溶液(0.1×PBS)冲洗每个FET的表面3次，其中，交联剂溶液中的交联剂为戊二醛，戊二醛在交联剂溶液中的体积浓度为2.5％；
2)在两个FET中每一个FET的表面滴加抗体溶液并于室温20～25℃孵化1h，其中，抗体溶液的体积为5μL，第一个FET所滴加抗体溶液(溶剂为1×PBS)中抗体的浓度为50μgmL-1且抗体记为K1,第二个FET所滴加抗体溶液(溶剂为1×PBS)中抗体的浓度50μg mL-1且抗体记为K2,K1和K2,详见表3。
3)用磷酸缓冲盐溶液冲洗两个FET中每个FET的表面3次，再在每个FET的表面滴加5μL的封闭剂并反应1h，用于避免非特异性吸附到全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的栅极表面；其中，封闭剂为牛血清蛋白溶液(溶剂为1×PBS)，该牛血清蛋白溶液中牛血清蛋白的浓度为1wt％。
4)用磷酸缓冲盐溶液冲洗两个FET中每个FET的表面3次，于室温20～25℃干燥2 s后测试每个FET的转移曲线并得到狄拉克点数值D1。
5)将40μL待测溶液滴加在步骤4)所得的两个FET的表面，于室温20～25℃孵化1h，用磷酸缓冲盐溶液冲洗每个FET的表面3次，并于室温20～25℃下干燥2s，测试每个FET转移曲线并得到狄拉克点数值D2；
6)计算每个FET的ΔD＝D2-D1并将狄拉克点电压差ΔD(狄拉克点漂移)记做传感输出信号。
实施例6中的待测溶液成分及体积配比具体见表3。
表3
图1为实施例1所制备的全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管中RGO层的光学显微镜图，标尺为50μm。可以看出制备电极的尺寸且相当薄膜生长均一致密。
图2为本发明的5层石墨烯衍生物薄膜的电流-电压(I-V)曲线图，其中直线1表示还原温度为400℃时还原12h后得到RGO层所测得的电流-电压(I-V)曲线图(如实施例1中的步骤3所得RGO层)，直线2表示还原温度为350℃时还原12h后得到RGO 层所测得的电流-电压(I-V)曲线图(如实施例2中的步骤3所得RGO层)，直线3表示还原温度为270℃时还原12h后得到RGO层所测得的电流-电压(I-V)曲线图(如实施例3中的步骤3所得RGO层)，直线4表示还原温度为140℃时还原8h后得到 semi-RGO层所测得的电流-电压(I-V)曲线图(如实施例1、3、4中的步骤6所得semi-RGO 层)，直线5表示还原温度为100℃时还原8h后得到semi-RGO层所测得的电流-电压 (I-V)曲线图(如实施例2中的步骤6所得semi-RGO层)。当还原温度和时间增加时，薄膜的电导率相应增加，并由此可以区分出RGO层和semi-RGO层来分别充当器件的源漏电极和半导体层。
图3为本发明的实施例1所得全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的典型双极性传输特性曲线及回滞图线。可以看出所构筑全还原氧化石墨烯场效应晶体管具有完美双极性，狄拉克点清晰稳定，器件回滞几乎可忽略不计，适宜作为传感载体。
图4为本发明的实施例2所得全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的典型双极性传输特性曲线及回滞图线。可以看出所构筑场效应晶体管具有完美双极性，狄拉克点清晰稳定，器件回滞几乎可忽略不计，适宜作为传感载体，证明实例2条件切实可行。
图5为本发明的实施例3所得全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的典型双极性传输特性曲线及回滞图线。可以看出所构筑场效应晶体管具有完美双极性，狄拉克点清晰稳定，器件回滞几乎可忽略不计，适宜作为传感载体，证明实例3条件切实可行。
图6为本发明的实施例4中所得全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的典型双极性传输特性曲线及回滞图线。可以看出所构筑场效应晶体管具有完美双极性，狄拉克点清晰稳定，器件回滞几乎可忽略不计，适宜作为传感载体，证明实例4条件切实可行。
相较于图4～6，图3所表现出的电流值和狄拉克点清晰程度更为优异，因此优选实施例1为最优实验条件。(图3～6中的外侧大V以右侧纵向坐标为准，图3～6中的内侧小V以左侧纵向坐标为准)
图7为实施例1制备得到的100个全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的(a)空穴和(b)电子迁移率的分布。从图中可以看出迁移率平均值为μh＝0.33cm2V-1s-1和μe＝0.37cm2V-1s-1，符合制备传感器需求。
根据实例2条件制备30个全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的获得的空穴和电子迁移率平均值为μh＝0.25cm2V-1s-1和μe＝0.29cm2V-1s-1，符合制备传感器需求(图中未示出)。
根据实例3条件制备30个全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的获得的空穴和电子迁移率平均值为μh＝0.22cm2V-1s-1和μe＝0.21cm2V-1s-1，符合制备传感器需求(图中未示出)。
根据实例4条件制备30个全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管获得的空穴和电子迁移率平均值为μh＝0.19cm2V-1s-1和μe＝0.17cm2V-1s-1，符合制备传感器需求 (图中未示出)。
图8为根据实例1条件制备100个全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的开关比率的分布。从图中可以看出根据此条件制备的器件开关比较大，平均值可达3500 以上，证明此器件(全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管)适宜作为传感载体使用。
根据实例2条件制备30个独立器件求得开关比平均值为3000，根据实例3条件制备30个独立器件求得开关比平均值为2500，根据实例4条件制备30个独立器件求得开关比平均值为2800。
图9(a)为在实施例5-1条件下滴加细胞角蛋白片段21-1抗体固定在全还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器表面的AFM图像(在步骤4干燥后测试AFM)；图9(b)为在实施例5-2条件下甲胎蛋白抗体固定在全还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器表面的AFM图像(在步骤4干燥后测试AFM)；
图9(c)为在实施例7条件下细胞角蛋白片段21-1抗体固定在全还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器表面的AFM图像(在步骤4干燥后测试AFM)；图9(d)为在实施例7条件下甲胎蛋白抗体固定在全还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器表面的AFM 图像(在步骤4干燥后测试AFM)；
图9(e)为在实施例8条件下细胞角蛋白片段21-1抗体固定在全还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器表面的AFM图像(在步骤4干燥后测试AFM)；图9(f)为在实施例8条件下甲胎蛋白抗体固定在全还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器表面的AFM 图像(在步骤4干燥后测试AFM)；
图9(g)为在实施例9条件下细胞角蛋白片段21-1抗体固定在全还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器表面的AFM图像(在步骤4干燥后测试AFM)；图9(h)为在实施例9条件下甲胎蛋白抗体固定在全还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器表面的AFM 图像(在步骤4干燥后测试AFM)。
通过图9(a)～图9(h)以及NanoScope Analysis软件分析可知，图9(a)～图9(h)中各个接触面的粗糙度(Rq)依次为：(a)0.934(b)0.941(c)0.996(d)0.912(e)1.046(f)0.974(g)1.056和(h)0.936，Z＝10nm。通过此图可以证明，通过实施例5,7,8,9的方法可以成功将细胞角蛋白片段21-1抗体和甲胎蛋白抗体成功栽种到传感界面表面。
图10为在最优选实施例5条件下抗体栽种方法所获得的荧光标记的甲胎蛋白抗体修饰的全还原氧化石墨烯场效应晶体管表面的显微镜荧光图像。从图中可以看出使用该发明的方法可以成功将抗体栽种到传感界面。
图11为本发明实施例5-1～5-4所得的ΔD。其中，柱1为实施例5-1带有细胞角蛋白片段21-1抗体的FET检测人血清的传感输出信号，柱2为实施例5-2带有甲胎蛋白抗体的FET检测人血清的传感输出信号，柱3为实施例5-3带有细胞角蛋白片段21-1抗体的 FET检测混合分析物的传感输出信号，柱4为实施例5-4带有甲胎蛋白抗体的FET检测混合分析物的传感输出信号。通过柱1和柱3，柱2和柱4对比可以证明基于全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管构筑的生物传感器可对癌症标志物进行检测。
由于人类癌症疾病种类繁多，为了更加节省检测时人力物力的消耗，并更大程度的降低患者检测痛苦，本发明期望全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管上阵列化排布的FET可同时构建多个可同时检测多种癌症标志物的生物传感器，具有分析时间短、样品使用量小和成本低廉的有益效果，加之其所展现的良好选择性和适宜灵敏度，有望成为未来临床检测的全新实用方法，具体详见实施例6-1～6-8。
图12为本发明的生物传感器的浓度依赖性检测，通过图12(a)和12(b)，可以证明基于全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管构筑的生物多传感器不仅可以达到同时对两种不同的癌症标志物进行同时检测的目的，还可以通过封闭传感界面多余位点的技术对目标物分子进行有效和特异性的识别，符合临床检测标准。
实施例7
一种全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管构建生物传感器的方法，包括以下步骤：
1)以含有一个源电极和一个漏电极作为一个FET，在实施例1所得全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的一个FET的表面滴加10μL交联剂溶液(溶剂为1× PBS)并孵育1h，用磷酸缓冲盐溶液冲洗该全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的表面3次，其中，交联剂溶液中的交联剂为戊二醛，戊二醛在交联剂溶液中的体积浓度为3％；
2)将抗体溶液滴加在所述FET的表面并于室温20～25℃孵化2h，其中，抗体溶液的体积为5μL，抗体溶液(溶剂为1×PBS)中抗体为浓度50μg mL-1的K,K详见表2。
3)用磷酸缓冲盐溶液冲洗该FET的表面3次，再在FET的表面滴加10μL的封闭剂并反应1h，用于避免非特异性吸附到全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的栅极表面；其中，封闭剂为牛血清蛋白溶液(溶剂为1×PBS)，该牛血清蛋白溶液中牛血清蛋白的浓度为1wt％。
4)用磷酸缓冲盐溶液冲洗该FET的表面3次，于室温20～25℃干燥2s后测试转移曲线并得到狄拉克点数值D1。
5)将50μL待测溶液滴加在步骤4)所得的FET的表面，于室温20～25℃孵化1h，用磷酸缓冲盐溶液冲洗该FET的表面3次，并于室温20～25℃下干燥至少2s，测试转移曲线并得到狄拉克点数值D2；
6)计算D2-D1并将所得差值狄拉克点电压差ΔD记做传感输出信号。
实施例8
一种全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管构建生物传感器的方法，包括以下步骤：
1)以含有一个源电极和一个漏电极作为一个FET，在实施例1所得全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的一个FET的表面滴加10μL交联剂溶液(溶剂为1× PBS)并孵育0.5h，用磷酸缓冲盐溶液冲洗该全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的表面3次，其中，交联剂溶液中的交联剂为多肽缩合试剂HATU，多肽缩合试剂 HATU在交联剂溶液中的体积浓度为2.5％；
2)将抗体溶液滴加在所述FET的表面并于室温20～25℃孵化2h，其中，抗体溶液的体积为10μL，抗体溶液(溶剂为1×PBS)中抗体为浓度100μg mL-1的K,K详见表 2。
3)用磷酸缓冲盐溶液冲洗该FET的表面3次，再在FET的表面滴加10μL的封闭剂并反应1h，用于避免非特异性吸附到全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的栅极表面；其中，封闭剂为牛血清蛋白溶液(溶剂为1×PBS)，该牛血清蛋白溶液中牛血清蛋白的浓度为1wt％。
4)用磷酸缓冲盐溶液冲洗该FET的表面3次，于室温20～25℃干燥2s后测试转移曲线并得到狄拉克点数值D1。
5)将40μL待测溶液滴加在步骤4)所得的FET的表面，于室温20～25℃孵化1h，用磷酸缓冲盐溶液冲洗该FET的表面3次，并于室温20～25℃下干燥至少2s，测试转移曲线并得到狄拉克点数值D2；
6)计算D2-D1并将所得差值狄拉克点电压差ΔD记做传感输出信号。
实施例9
一种全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管构建生物传感器的方法，包括以下步骤：
1)以含有一个源电极和一个漏电极作为一个FET，在实施例1所得全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的一个FET的表面滴加10μL交联剂溶液(溶剂为1× PBS)并孵育1h，用磷酸缓冲盐溶液冲洗该全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的表面3次，其中，交联剂溶液中的交联剂为1-芘丁酸亚胺酯，，1-芘丁酸亚胺酯在交联剂溶液中的体积浓度为10％；
2)将抗体溶液滴加在所述FET的表面并于室温20～25℃孵化2h，其中，抗体溶液的体积为5μL，抗体溶液(溶剂为1×PBS)中抗体为浓度50μg mL-1的K,K详见表2。
3)用磷酸缓冲盐溶液冲洗该FET的表面3次，再在FET的表面滴加5μL的封闭剂并反应1h，用于避免非特异性吸附到全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的栅极表面；其中，封闭剂为牛血清蛋白溶液(溶剂为1×PBS)，该牛血清蛋白溶液中牛血清蛋白的浓度为1wt％。
4)用磷酸缓冲盐溶液冲洗该FET的表面3次，于室温20～25℃干燥2s后测试转移曲线并得到狄拉克点数值D1。
5)将40μL待测溶液滴加在步骤4)所得的FET的表面，于室温20～25℃孵化1h，用磷酸缓冲盐溶液冲洗该FET的表面3次，并于室温20～25℃下干燥至少2s，测试转移曲线并得到狄拉克点数值D2；
6)计算D2-D1并将所得差值狄拉克点电压差ΔD记做传感输出信号。
实施例7～9均能实现与上述实施例5和6一致的技术效果。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管，其特征在于，包括：基底、RGO层、semi-RGO层和GO层，所述RGO层为多对，每对RGO层为2个且分别作为所述全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管上一FET的源电极和漏电极，2个所述RGO层相互平行并负载在所述基底上，所述semi-RGO层负载在所述RGO层和该RGO层四周的基底上并作为半导体层，所述GO层负载在所述semi-RGO层上。
2.根据权利要求1所述的全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述GO层的厚度为2～15nm；
所述semi-RGO层的厚度为2～15nm；
所述RGO层的厚度为2～15nm；
所述基底的厚度为400～500μm。
3.如权利要求1或2所述全共价键连接全还原氧化石墨烯场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在氧气环境下，用等离子体对基底处理5～25min；
步骤2，第一次制备GO层：在步骤1所得基底上重复制备GO单层的方法2～11次，用于在该基底上形成由多层GO单层组成的GO层；
步骤3，在还原气氛条件下，将步骤2所得基底于180～500℃保温8～15h，得到负载有RGO层的基底；
步骤4，在步骤3所得负载有RGO层的基底上粘贴掩膜版，再蒸镀厚度为20～90nm的铝膜，蒸镀后取下所述掩膜版，再在氧气环境下，采用等离子体处理基底5～30min，用于去除未被铝膜覆盖的RGO层以形成漏电极和源电极；将所述基底浸泡到30～100℃的稀硝酸水溶液中30～60min，取出基底后清洗所述基底；
步骤5，第二次制备GO层：在步骤4所得基底上重复制备GO单层的方法2～11次，以在RGO层和该RGO层四周的基底上形成由多层GO单层组成的GO层；
步骤6，在还原气氛条件下，将步骤5所得基底于80～160℃保温4～8h，以使步骤5所得GO层形成semi-RGO层；
步骤7，第三次制备GO层：在步骤6所得semi-RGO层上重复制备GO单层的方法2～11次，以在semi-RGO层上形成由多层GO单层组成的GO层；其中，
制备GO单层的方法：将基底放入硅烷偶联剂溶液中浸泡10～120min，取出基底进行第一清洗；对第一清洗后的基底的表面进行室温干燥，将室温干燥后的基底置于GO溶液中浸泡10～120min，取出基底进行第二清洗。
4.如权利要求3所述制备方法，其特征在于，在所述步骤3中，将基底放置于管式炉中于180～500℃保温8～15h，管式炉的升温速度为1～10℃/min；
步骤3所得基底上负载的RGO层为一整片。
5.如权利要求4所述制备方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述掩膜版的W/L为8；
在所述步骤4中，所述稀硝酸水溶液中稀硝酸的体积分数为10～20％，用于去除铝膜；
在所述步骤6中，将基底放置于管式炉中于80～160℃保温4～8h，管式炉的升温速度为1～10℃/min。
6.如权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述第一清洗的次数为3～10次，每次第一清洗的方法为：将基底放入水中洗涤一次，洗涤后再将基底浸入水中超声5～20min；
所述第二清洗的次数为4～11次，每次第二清洗的方法为：将基底放入水中洗涤一次，洗涤后再将基底浸入水中超声5～30min。
7.如权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述氧气环境为通过通入20～30sccm的氧气气流实现，用等离子体对基底处理时的rf功率为60～200W。
8.如权利要求7所述制备方法，其特征在于，硅烷偶联剂溶液的制备方法为：向乙醇水溶液中加入硅烷偶联剂，混合均匀后得到所述硅烷偶联剂溶液，其中，按体积份数计，所述乙醇水溶液中乙醇和水的比为(80～100)：5；按体积份数计，所述硅烷偶联剂与所述乙醇水溶液的比为(1～10)：(90～99)；
GO溶液的制备方法为：将30～50体积份数的浓H2SO4和1～3质量份数的NaNO3混合均匀，在冰浴条件下反应10～20min，待所述浓H2SO4和NaNO3的混合物的温度低于5℃时，向所述混合物中加入2～5质量份数的325～8000目的石墨粉并混合均匀，再加入6～10质量份数的KMnO4，在室温20～25℃反应2～2.5h后再于35～40℃水浴反应1～1.5h；再加入90～95体积份数的去离子水，升温至90～100℃反应15～20min，加入去离子水定容至280～300体积份数，定容后加入5～6体积份数且体积浓度为20～30％的H2O2水溶液，以使溶液由棕黑色变为鲜亮的黄色；将鲜亮的黄色溶液离心，离心后先后依次进行酸洗和水洗，得到固体为氧化石墨烯，将所述氧化石墨烯放入去离子水中超声处理1～1.5h，得到浓度为1～5mg/mL的GO溶液。
9.如权利要求8所述制备方法，其特征在于，将鲜亮的黄色溶液离心，离心后先后依次进行酸洗和水洗的步骤为：将鲜亮的黄色溶液离心，离心后移除上层清液，再加入体积浓度为5～10％的稀盐酸洗涤，离心后移除上层清液，再加入去离子水洗涤至上层清液pH为中性，离心后得到所述固体。
10.如权利要求9所述制备方法，其特征在于，所述冰浴条件的温度为0～5℃；
选用搅拌或者超声进行混合均匀，当选用搅拌进行混合均匀时，加入所述石墨粉后搅拌至少10min；
当所述体积份数的单位为mL时，所述质量份数的单位为g；
所述浓H2SO4的浓度为96～98wt％。
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