多栅极石墨烯场效应晶体管传感器阵列及多重检测方法技术

本发明专利技术提出一种多栅极石墨烯场效应晶体管传感器阵列和它的制备方法,所述的传感器阵列是在玻璃基板上溅射沉积图案化的源极和漏极，气相沉积单层石墨烯沟道，设置多个不同功能性材料修饰的栅电极；传感器由漏极、源极和多个栅极共同组成的。所述制备方法包括如下步骤：清洗和制作玻璃基底；制备图案化复合金电极；利用磁控溅射的射频磁控管在玻璃薄片上依次溅射沉积图案化的Cr/Au电极作为场效应晶体管的源极、漏极和栅极；通过化学气相沉积法CVD于预定厚度的铜箔上合成单层石墨烯层；将石墨烯切割成预定尺寸，利用湿化学法在去离子水中将石墨烯转移至图案化的源极和漏极之间的沟道上，清洗退火；封装制作好的传感器阵列器件。封装制作好的传感器阵列器件。封装制作好的传感器阵列器件。

【技术实现步骤摘要】
多栅极石墨烯场效应晶体管传感器阵列及多重检测方法


[0001]本专利技术属阵列传感器
，涉及一种多栅极石墨烯场效应晶体管传器感阵列的多重检测方法。

技术介绍

[0002]在复杂的混合物体系中，实现多种成分的快速、同时鉴定和区分是一项巨大的挑战。由于食品行业必须根据相关的监管要求，对食品进行成分分析，监控其成分组成，所以也一直面临这些问题。而且在食品污染等关乎食品质量与安全方面，其成分分析显得尤为重要。许多成分分析的标准方法通常为质谱法、色谱法、色谱
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质谱联用等方法。然而，这些标准方法通常存在着许多缺点，例如，需要特定的样品制备步骤，设备庞大、成本高、检测步骤繁琐，耗时长，无法实现经济，快速的检测等。因此，需要不断开发新的替代技术来缓解这些问题。
[0003]目前，越来越多的阵列传感器被应用于食品的质量和安全监测，其覆盖食品的生产、加工、仓储和运输过程。先进的阵列传感器不但具有高特异性、高灵敏度等传感性能，还表现出低成本、操作简便、检测迅速、小型化等特点。
[0004]由于电化学分析技术具有操作简便、灵敏度高、响应迅速、成本低廉等优点，目前已成功地应用于健康和环境等的监测。在最近的研究进展中发现，基于电化学技术的阵列传感器不仅可以测定大蒜的强度、辣椒的热量，还能够检测食品中的毒素和饮料的抗氧化能力。在此背景下，基于电解液栅控石墨烯晶体管(SGGT)的阵列传感器显示出强大的生命力，且其在小型化、低成本和高灵敏度方面也具有显著的优势，有助于食品质量与安全方面的检测。另外，为达到特异性识别低浓度物质的目的，需要对其进行界面功能化来提高传感器的灵敏度和选择性。
[0005]在过去几十年中，科学家们根据不同的检测原理开发了各种阵列传感器。例如，基于梯度的比色传感器，基于荧光的光学传感器等。
[0006]图是1基于DNA
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纳米金体系的比色阵列传感器原理图。该传感器是基于无修饰的纳米金的比色方法作为反应体系，使用经典方法合成的金纳米颗粒表面覆盖着一层柠檬酸根离子，当向溶液中加入高浓度的盐溶液时，会引起金纳米颗粒的聚集，从而产生变色反应。柔性的单链DNA如核酸适配体，可以覆盖在金纳米颗粒表面，抑制高浓度盐导致的颗粒聚集。当有待测物如蛋白质存在时，蛋白质会破坏纳米金颗粒与DNA之间的相互作用，使颗粒失去DNA的保护，因此导致颗粒聚集溶液变色。对于同一种DNA识别单元，不同的待测物会产生不同程度的相互作用引起不同的比色信号；同时对于同一种待测物，也会在不同的DNA识别单元上表现出不同的响应行为。
[0007]图2是由六种阳离子修饰的金纳米颗粒(AuNP)和一种阴离子聚合物PPE组成的荧光阵列传感器，聚合物的荧光首先被金纳米颗粒淬灭，当有蛋白质存在时会破坏聚合物与金纳米颗粒之间的作用，从而产生独特的基于蛋白质与纳米颗粒之间结合力强弱的荧光响应图谱。该阵列传感器实现了七种具有不同物理化学性质的蛋白质的识别检测。
[0008]但是由于它们受温度、成本、灵敏度等的限制并不适用于实际应用。

技术实现思路

[0009]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种多栅极石墨烯场效应晶体管传感器阵列,所述的传感器阵列包括多个传感器，每个传感器由漏极、源极和多个栅极共同组成，每个传感器包含：在玻璃基板上溅射沉积图案化的源极和漏极，一个气相沉积单层石墨烯沟道，以及多个不同功能性材料修饰的栅电极。
[0010]进一步的，针对不同检测物靶标选择不同的材料功能化修饰栅极，针对n种待检靶标，设置n个不同修饰的栅极。
[0011]本专利技术还提出一种多栅极石墨烯场效应晶体管传感器阵列的制备方法,所述方法包括如下步骤：
[0012]步骤1，清洗和制作玻璃基底；
[0013]步骤2，制备图案化复合金电极；将干净并已冷却的玻璃片固定在定制的掩膜板上，利用磁控溅射的射频磁控管，在附在掩膜上的玻璃薄片上依次溅射沉积图案化的Cr/Au电极作为场效应晶体管的源极、漏极和栅极；
[0014]步骤3，通过化学气相沉积法CVD于预定厚度的铜箔上合成单层石墨烯层；
[0015]步骤4，将单层石墨烯层切割成预定尺寸，利用湿化学法在去离子水中将切割后的单层石墨烯层转移至图案化的源极和漏极之间的沟道上，清洗退火；
[0016]步骤5，封装制作好的传感器阵列器件，用有机硅烷层来保护传感器阵列器上部的源极、漏极和栅极的金属连接线。
[0017]进一步的，步骤1包括：利用玻璃刀将载玻璃片切成宽1cm、长n cm大小的小玻璃片用作传感器阵列的基板；依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水对所述基板超声清洗多次，每次20min；用高纯氮气吹干小玻璃片，并在加热台以120℃的温度烘烤小玻璃片15min。
[0018]进一步的，步骤2中Cr/Au电极宽度10nm/100nm。
[0019]进一步的，步骤3包括子步骤：
[0020]步骤3.1，单层石墨烯层用化学气相沉积法CVD在1000℃，采用CH4和H2混合气体于25μm厚的铜箔上合成单层石墨烯层；
[0021]步骤3.2，制备合成单层石墨烯层后，使用旋涂仪将聚甲基丙烯酸甲酯均匀的旋涂在石墨烯上；其采用两步旋涂法：先采用800rpm工作10s,再采用2000rpm工作20s；
[0022]步骤3.3，使用刻蚀溶液刻蚀铜箔基层，然后用去离子水反复冲洗多次。
[0023]进一步的，步骤4包括：将制作好的传感器阵列器件置于125℃的加热台上退火20min，接着在55℃的丙酮中浸泡3h，每小时更换一次丙酮。
[0024]本专利技术还提出一种使用上述多栅极石墨烯场效应晶体管传感器阵列的多重检测方法，所述方法包括如下步骤：
[0025]步骤S1，SGGT性能的表征
[0026]步骤S1.1，固定传感器阵列的的源漏电压和栅极电压，依次连接n个栅极，使得每次有且仅有一个栅极导通，测定该栅极导通时器件的转移特性曲线；
[0027]步骤S1.2，选取预定的栅极电压和源漏电压参数，待器件的电流信号稳定后，加入一定浓度梯度的待检物质，并记录实时电流曲线；
[0028]步骤S2，交叉敏感响应的测定；依次连接n个栅极，每次有且仅有一个栅极导通，测量传感器对该栅极对应的靶标及其余n
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1个栅极中非靶标待检物质的交叉实时沟道电流响应曲线，根据相应的转移特性曲线换算成等效栅压变化与对数浓度之间的关系图；
[0029]步骤S3，依次连接n个栅极，每次有且仅有一个栅极导通，测量传感器对n种待检物质构成的混合溶液实时沟道电流响应。
[0030]进一步的，每次测量前用去离子水和0.01M PBS缓冲液冲洗SGGT器件，去除石墨烯沟道上的残留污物。
[0031]本专利技术开发出一种具有高选择性、高灵敏度的多功能检测阵列传感器。针对多种待检靶标，设计一种具有多个栅极的SGGT的高通量快速检测阵列传感器。以不同的功能化材料修饰栅极，分别构成了可特异性识别对其相应靶标的敏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多栅极石墨烯场效应晶体管传感器阵列,其特征在于，所述的传感器阵列包括多个传感器，每个传感器由漏极、源极和多个栅极共同组成，每个传感器包含：在玻璃基板上溅射沉积图案化的源极和漏极，一个气相沉积单层石墨烯沟道，以及多个不同功能性材料修饰的栅电极。2.如权利要求1所述的传感器阵列，其特征在于，针对不同检测物靶标选择不同的材料功能化修饰栅极，针对n种待检靶标，设置n个不同修饰的栅极。3.一种多栅极石墨烯场效应晶体管传感器阵列的制备方法,其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1，清洗和制作玻璃基底；步骤2，制备图案化复合金电极；将干净并已冷却的玻璃片固定在定制的掩膜板上，利用磁控溅射的射频磁控管，在附在掩膜上的玻璃薄片上依次溅射沉积图案化的Cr/Au电极作为场效应晶体管的源极、漏极和栅极；步骤3，通过化学气相沉积法CVD于预定厚度的铜箔上合成单层石墨烯层；步骤4，将单层石墨烯层切割成预定尺寸，利用湿化学法在去离子水中将切割后的单层石墨烯层转移至图案化的源极和漏极之间的沟道上，清洗退火；步骤5，封装制作好的传感器阵列器件，用有机硅烷层来保护传感器阵列器上部的源极、漏极和栅极的金属连接线。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1包括：利用玻璃刀将载玻璃片切成宽1cm、长n cm大小的小玻璃片用作传感器阵列的基板；依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水对所述基板超声清洗多次，每次20min；用高纯氮气吹干小玻璃片，并在加热台以120℃的温度烘烤小玻璃片15min。5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2中Cr/Au电极宽度10nm/100nm。6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3包括子步骤：步骤3.1，单层石墨烯层用化学...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑磊，瞿昊，汪玉宏，王荣荣，毛瑜，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：