一种石墨烯场效应管生物传感器及其制作方法、检测方法

摘要

本发明公开了一种石墨烯场效应管生物传感器及其制作方法、检测方法。一种石墨烯场效应管生物传感器，包括玻璃基底，玻璃基底的两侧均设有ITO，部分同侧的玻璃基底及ITO的上面覆盖有石墨烯，没有覆盖石墨烯的两侧的ITO分别为源极和漏极，覆盖有石墨烯的ITO的上面覆盖有PET垫片，PET垫片上覆盖有溅射金膜的PET基底，利用绝缘硅胶在玻璃基底的中部设有一样品池，金膜为栅极。采用石墨烯覆盖ITO的方法减小接触电阻，采用平面金膜电极作为栅极施加均匀电场，增加电解质与石墨烯的作用面积，通过上述两方面提高了检测灵敏度及检测范围，检测三磷酸腺苷的下限达到10pM。

说明书

技术领域

本发明涉及分析化学领域，尤其涉及一种石墨烯场效应管生物传感器及其制作方法、检 测方法。

背景技术

石墨烯是一种新兴的功能材料。由于其具有优良的光学、电学以及易于与生物分子通过 π-π堆垛作用结合的特性，而在生物传感器设计领域受到关注。生物分子吸附在石墨烯表面可 以调节其电荷传输或电荷的沟道掺杂，引起载流子浓度和载流子迁移率的变化。基于此，通 过施加栅极电压调制的石墨烯场效应晶体管（FET）生物传感器被广泛研究，已报道的如pH 值传感器，DNA生物传感器，蛋白质生物传感器以及细胞生物传感器。

通常，在石墨烯场效应管生物传感器中，采用化学气相沉积方法，在SiO₂或塑料基底转移 单层或多层石墨烯作为导电层。Ag/AgCl电极作为栅电极，将银漆涂于石墨烯表面分别用作 漏极和源极。在栅极和石墨烯导电层之间加入包含生物分子的溶液作为电解质。生物分子与 石墨烯相互作用形成导电沟道，影响石墨烯FET的传输特性。通过测量石墨烯FET的传输特性， 对目标生物分子进行检测。

然而，这种传统的石墨烯生物传感器设计存在以下问题：

（1）Ag/AgCl电极与石墨烯FET分离，不适合生物传感器集成化为单一器件且不便于测 量。

（2）由于在石墨烯表面的PMMA残留，导致银漆和石墨烯之间的接触电阻较大，会减少 信号强度，从而影响检测信号的灵敏度。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种石墨烯场效应管生物传感器及其制作方 法、检测方法，采用石墨烯覆盖ITO电极的方法减小接触电阻，采用平面金电极作为栅极施加 均匀电场，增加电解质与石墨烯的作用面积。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种石墨烯场效应管生物传感器，包括玻璃基底，玻璃基底的两侧均设有ITO，部分同侧 的玻璃基底及ITO的上面覆盖有石墨烯，没有覆盖石墨烯的玻璃基底及两侧的ITO位于同侧， 没有覆盖石墨烯的两侧的ITO分别为源极和漏极，覆盖有石墨烯的ITO的上面覆盖有PET垫片， PET垫片上覆盖有溅射金膜的PET基底，利用绝缘硅胶在玻璃基底的中部设有一样品池，金膜 为栅极。

所述没有覆盖石墨烯的玻璃基底及两侧的ITO尺寸分别为2mm*10mm及2mm*5mm；

所述样品池的尺寸为：18mm*10mm*2mm；

所述PET垫片尺寸为18*5mm，厚度为2mm；

所述PET基底的尺寸为18*5mm，厚度为1mm，金膜的厚度为100nm；

所述ITO的厚度为185nm。

一种石墨烯场效应管生物传感器的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：利用化学气相沉积方法生长单层或多层石墨烯并将其转移覆盖至部分玻璃基底， 氧化铟锡设于玻璃基底的两侧上且位于石墨烯之下且与石墨烯无PMMA残留的一面接触；

步骤二：石墨烯覆盖至玻璃基底后，用绝缘硅胶围成样品池，利用磁控溅射方法，在PET 基底上溅射金膜，并将金膜作为栅极向下用绝缘硅胶固定于样品池之上，然后加样从而形成 集成化的单一石墨烯FET器件。

所述步骤一中玻璃基底的尺寸为20*20mm，氧化铟锡电极尺寸为20*5mm，厚度为185nm； 所述步骤一中利用化学气相沉积方法生长单层或多层石墨烯并将其转移覆盖至部分玻璃基底 的转移方法为湿法转移方法；

所述步骤一中氧化铟锡的上方，利用绝缘硅胶固定尺寸为18*5mm，厚度为2mm的PET垫片；

所述步骤一中未被覆盖的氧化铟锡上涂抹导电银浆引出电极分别作为源极和漏极；

所述步骤一中石墨烯的漏极与源极间电阻为1K欧姆；

所述步骤二中PET基底的尺寸为18*5mm，厚度为1mm，金膜的厚度为100nm；

所述步骤二中将溅射有金膜的PET基底，金膜向下利用绝缘硅胶覆盖于PET垫片之上，从 而形成尺寸为18mm*10mm*2mm的样品池；

一种石墨烯场效应管生物传感器的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：将石墨烯场效应管生物传感器接入检测电路；

步骤二：加入待测样品，使用移液器向样品池中加入300uL去离子水，调节检测电路的 R_ref以及G，使输出电压信号范围处于0-2.5V范围，便于测量，通过公式计算石墨烯场效应 管的等效电阻；

步骤三：吸出样品池中的样品，用去离子水清洗并烘干后，再次接入电路，再加入待测 样品，实现重复测量。

所述步骤一中检测电路的为：石墨烯场效应管生物传感器的栅极与微处理器的D/A转换 器相连，石墨烯场效应管生物传感器的源极和漏极分别与R_ref及R1相连，R_ref与R2串联，R1 与R2的公共端与恒压源相连，石墨烯场效应管生物传感器的漏极及，R_ref与R2的公共端分别 与仪表放大器的两个输入端相连，仪表放大器的输出端与微处理器的A/D转换器相连，微处 理器的通信单元与计算机相连。

所述恒压源电压为2.5V，电阻R₁=R₂=1K欧姆，平衡电阻R_ref为精密可调电阻，最大阻值 为2K欧姆；

所述微处理器采集电压的范围为0-2.5V，模数转换精度最低为12位，采样速度至少为 1Kbit/s；

所述数模转换单元向栅极加载栅极电压，电压转换范围为0-2.5V，转换精度为12位；

所述石墨烯场效应管的等效电阻计算公式：

$(\frac{V_{\mathrm{const}}\times R_{\mathrm{FET}}}{R_1+R_{\mathrm{FET}}}-\frac{V_{\mathrm{const}}\times R_{\mathrm{ref}}}{R_2+R_{\mathrm{ref}}})\times G=V_{\mathrm{out}}$

其中，V_const为恒压源电压为2.5V，R₁=R₂=1K欧姆，R_ref为可调电阻，最大为2K欧姆。G 为仪表放大器增益，V_out为采集的电压信号。

本发明的有益效果：

(1)采用石墨烯覆盖ITO电极的方法减小接触电阻，采用平面金电极作为栅极施加均匀电 场，增加电解质与石墨烯的作用面积。通过上述两方面提高了检测灵敏度及检测范围，检测 三磷酸腺苷的下限达到10pM。

（2）通过条件检测电路的平衡桥臂及放大电路的放大倍数，扩大了样品检测范围，实验 获得三磷酸腺苷检测浓度范围达10pM-10μM，浓度范围覆盖6个数量级。

附图说明

图1，石墨烯场效应管生物传感器的制作示意图；

图2，石墨烯场效应管生物传感器的检测电路示意图；

图3，栅极电压与石墨烯场效应管的等效电阻关系图；

图4，ATP浓度与石墨烯场效应管的等效电阻关系图；

图5，石墨烯FET生物传感器原型器件实物对比图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，一种石墨烯场效应管生物传感器，包括玻璃基底，玻璃基底的两侧均设有ITO， 部分同侧的玻璃基底及ITO的上面覆盖有石墨烯，没有覆盖石墨烯的玻璃基底及两侧的ITO 位于同侧，没有覆盖石墨烯的两侧的ITO分别为源极和漏极，覆盖有石墨烯的ITO的上面覆盖 有PET垫片，PET垫片上覆盖有溅射金膜的PET基底，利用绝缘硅胶在玻璃基底的中部设有一 样品池，金膜为栅极。

没有覆盖石墨烯的玻璃基底及两侧的ITO尺寸分别为2mm*10mm及2mm*5mm；样品池 的尺寸为：18mm*10mm*2mm；PET垫片尺寸为18*5mm，厚度为2mm；PET基底的尺寸为18*5mm， 厚度为1mm，金膜的厚度为100nm；ITO的厚度为185nm。

一种石墨烯场效应管生物传感器的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：利用化学气相沉积方法生长单层或多层石墨烯并将其转移覆盖至部分玻璃基底， 氧化铟锡设于玻璃基底的两侧上且位于石墨烯之下且与石墨烯无PMMA残留的一面接触；

步骤二：石墨烯覆盖至玻璃基底后，用绝缘硅胶围成样品池，利用磁控溅射方法，在PET 基底上溅射金膜，并将金膜作为栅极向下用绝缘硅胶固定于样品池之上，然后加样从而形成 集成化的单一石墨烯FET器件。

步骤一中玻璃基底的尺寸为20*20mm，氧化铟锡电极尺寸为20*5mm，厚度为185nm；所述 步骤一中利用化学气相沉积方法生长单层或多层石墨烯并将其转移覆盖至部分玻璃基底的转 移方法为湿法转移方法；步骤一中氧化铟锡的上方，利用绝缘硅胶固定尺寸为18*5mm，厚度 为2mm的PET垫片；步骤一中未被覆盖的氧化铟锡上涂抹导电银浆引出电极分别作为源极和漏 极；步骤一中石墨烯的漏极与源极间电阻为1K欧姆。

步骤二中PET基底的尺寸为18*5mm，厚度为1mm，金膜的厚度为100nm；步骤二中将溅射 有金膜的PET基底，金膜向下利用绝缘硅胶覆盖于PET垫片之上，从而形成尺寸为18mm*10mm *2mm的样品池。

单层或多层石墨烯，通过湿法转移方法将石墨烯转移覆盖至玻璃基底，并将ITO电极覆 盖，控制生长石墨烯的层数，使其漏源极间电阻约为1K欧姆。

在未被覆盖的ITO上涂抹导电银浆引出电极分别作为源极和漏极。石墨烯FET生物传感 器原型器件实物如图5所示。

如图2所示，一种石墨烯场效应管生物传感器的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：将石墨烯场效应管生物传感器接入检测电路；

步骤二：加入待测样品，使用移液器向样品池中加入300uL去离子水，调节检测电路的 R_ref以及G，使输出电压信号范围处于0-2.5V范围，便于测量，通过公式计算石墨烯场效应 管的等效电阻；

步骤三：吸出样品池中的样品，用去离子水清洗并烘干后，再次接入电路，再加入待测 样品，实现重复测量。

步骤一中检测电路的为：石墨烯场效应管生物传感器的栅极与微处理器的D/A转换器相 连，石墨烯场效应管生物传感器的源极和漏极分别与R_ref及R1相连，R_ref与R2串联，R1与 R2的公共端与恒压源相连，石墨烯场效应管生物传感器的漏极及，R_ref与R2的公共端分别与 仪表放大器的两个输入端相连，仪表放大器的输出端与微处理器的A/D转换器相连，微处理 器的通信单元与计算机相连。恒压源电压为2.5V，电阻R₁=R₂=1K欧姆，平衡电阻R_ref为精密 可调电阻，最大阻值为2K欧姆；

微处理器采集电压的范围为0-2.5V，模数转换精度最低为12位，采样速度至少为 1Kbit/s；数模转换单元向栅极加载栅极电压，电压转换范围为0-2.5V，转换精度为12位；

石墨烯场效应管的等效电阻计算公式：

$(\frac{V_{\mathrm{const}}\times R_{\mathrm{FET}}}{R_1+R_{\mathrm{FET}}}-\frac{V_{\mathrm{const}}\times R_{\mathrm{ref}}}{R_2+R_{\mathrm{ref}}})\times G=V_{\mathrm{out}}$

其中，V_const为恒压源电压为2.5V，R₁=R₂=1K欧姆，R_ref为可调电阻，最大为2K欧姆。G为 仪表放大器增益，V_out为采集的电压信号。

（1）采用桥式平衡电路对FET生物传感器进行测量。

（2）采用仪表放大器测量石墨烯FET和的R_ref电压差，仪表放大器的放大增益可调。差分 电压经模数转换后由微处理器采集。

（3）微处理器控制数模转换单元向栅极加载栅极电压，电压转换范围为0-2.5V，转换精 度为12位。

（4）通过USB或串口将采集的电压数值上传至计算机，

测量结果如图3-4所示，三磷酸腺苷测量栅极电压与石墨烯场效应管的等效电阻关系；三 磷酸腺苷测量ATP浓度与石墨烯场效应管的等效电阻关系。

采用石墨烯覆盖ITO的方法减小接触电阻，采用平面金膜电极作为栅极施加均匀电场， 增加电解质与石墨烯的作用面积，通过上述两方面提高了检测灵敏度及检测范围，检测三磷 酸腺苷的下限达到10pM。

通过条件检测电路的平衡桥臂及放大电路的放大倍数，扩大了样品检测范围，实验获得 三磷酸腺苷检测浓度范围达10pM-10μM，浓度范围覆盖6个数量级。