本發(fā)明屬于生物傳感器檢測，涉及一種高穩(wěn)定性石墨烯場效應晶體管生物傳感器的制備方法。

背景技術(shù)：

1、因為具有響應速度快、靈敏度高、采樣少、便于陣列化、檢測通量高、可集成等優(yōu)點，場效應晶體管電化學分析法(fet)近年來得到了廣泛關(guān)注。作為場效應晶體管的核心部分，溝道材料的選擇直接影響所得器件的分析性能。目前，常用的晶體管溝道材料包括金屬氧化物、碳納米管、硅納米線、二硫化鉬、石墨烯(gr)、有機物半導體等。其中，石墨烯因為具有優(yōu)異的雙極性和超快的載流子遷移率而被廣泛用作場效應晶體管的溝道材料。石墨烯場效應晶體管(gfet)作為具有自放大功能的一類電化學傳感器，理論上可以滿足單分子檢測的靈敏度，目前已經(jīng)在小分子、核酸、蛋白、細菌等的檢測中發(fā)揮了重要作用。

2、目前，gfet器件的溝道材料多為化學氣相沉積(cvd)制得的單層石墨烯。但是cvd石墨烯有高溫制作、高成本、低產(chǎn)出的缺點，在轉(zhuǎn)移到其他基底的濕法轉(zhuǎn)移過程中往往還伴隨著褶皺、破壞和有機物殘留，這些都影響了gfet的分析性能?；诖?，mingyuan?sun等人在recent?advances?in?graphene?field-effect?transistor?towardbiologicaldetection中指出用還原氧化石墨烯(rgo)代替cvd石墨烯來制備場效應晶體管，因為rgo具有和石墨烯相似的載流子遷移率和單原子厚度的平面二維結(jié)構(gòu)，同時rgo-fet器件制備過程可以避免高溫和濕法轉(zhuǎn)移，從而有效降低制備的難度和成本。但是，使用rgo作為溝道材料時，仍有較多問題需要解決。首先，在基底上原位制備大面積均一、適合于陣列制備的rgo溝道材料依然比較困難；其次，rgo薄膜一般為多層結(jié)構(gòu)，與基底粘附性較低，易于從基底脫落，穩(wěn)定性差；最后，rgo低的含氧官能團含量會影響識別探針的修飾，而高的含氧官能團含量會影響載流子遷移，最終導致分析性能的下降。

3、綜上所述，目前需要開發(fā)一種簡單、低成本的gfet陣列的制備方法和識別探針的有效修飾方式，以提高gfet器件的穩(wěn)定性、靈敏度和實際應用能力。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明設(shè)計了一套“滴涂+化學還原”相結(jié)合的制備工藝，有效降低了gfet的制作成本，實現(xiàn)了器件的陣列化，提高了器件的穩(wěn)定性和靈敏度。gfet的制備流程為：(1)在潔凈的聚對苯二甲酸乙二醇酯(pet)柔性基底表面滴涂氧化石墨烯(go)，得到表面均一穩(wěn)定的go膜；(2)通過肼蒸汽還原加空氣熱退火還原制得rgo膜，提升膜的導電性和雙極性；(3)通過光刻、刻蝕制備圖案化的rgo膜，再結(jié)合磁控濺射技術(shù)制備rgo-fet的源漏電極；(4)構(gòu)建rgo/go復合結(jié)構(gòu)，在rgo表面共價鍵修飾il-6捕獲抗體和dna捕獲單鏈，實現(xiàn)對il-6蛋白和dna的高靈敏檢測。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：

3、一種高穩(wěn)定性石墨烯場效應晶體管生物傳感器的制備方法，具有高穩(wěn)定性、可用于蛋白質(zhì)和dna高靈敏檢測的gfet陣列制備方法，步驟如下：在潔凈的聚對苯二甲酸乙二醇酯(pet)基底上滴涂go，得到均一的薄膜；通過肼蒸汽還原和空氣熱退火得到高導電性rgo薄膜；利用光刻、刻蝕、濺射等技術(shù)得到的rgo-fet器件，共價修飾識別探針制備得到場效應晶體管陣列傳感器，實現(xiàn)對濃度范圍10-13-10-9g/ml?il-6蛋白和濃度范圍10-14-10-10mol/ldna的高靈敏檢測。

4、具體步驟如下：

5、步驟1：pet基底上大面積均一穩(wěn)定的rgo薄膜的制備

6、1)將潔凈的pet基底置于60-100℃熱臺上，滴涂0.02mg/ml?go水溶液于傳感區(qū)域，待go水溶液揮發(fā)完后，取下pet基底；

7、2)將取下的pet基底放入肼蒸汽蒸發(fā)皿中70-100℃還原1h，然后在空氣中100-200℃退火30min，在pet基底表面形成大面積均一穩(wěn)定的rgo薄膜；

8、步驟2：rgo-fet器件的制備

9、1)rgo薄膜的圖案化

10、在帶有rgo薄膜的pet基底上旋涂s1805光刻膠，在95-105℃下烘烤2-3min；再使用光刻板并以152mj/cm2的曝光劑量曝光30s，之后在zx-238顯影液中進行顯影40s，確保在所需的rgo薄膜表面覆蓋s1805光刻膠犧牲層完成圖案化；接著將上述獲得的具有s1805光刻膠犧牲層的pet基底放入icp刻蝕機中在100w功率下刻蝕100s，去除沒有被光刻膠覆蓋的rgo薄膜；最后用甲基吡咯烷酮(nmp)除膠液除去圖案化rgo薄膜表面的s1805光刻膠犧牲層，得到pet基底上圖案化的rgo薄膜即為溝道石墨烯，其大小為100μm×100μm；

11、2)用光刻和磁控濺射技術(shù)在圖案化的rgo薄膜兩端制備rgo-fet電極陣列

12、在圖案化的rgo薄膜的pet基底上旋涂s1805光刻膠，在95-105℃下烘烤2-3min，再使用光刻板并以152mj/cm2的曝光劑量曝光30s，之后在zx-238顯影液中進行顯影40s，該過程中欲制備源漏電極的地方以凹槽形式露出來，然后將上述獲得的器件放入高真空單室三靶磁控濺射薄膜沉積系統(tǒng)中，先以180w的功率濺射鉻30s，再以30w的功率濺射金240s；濺射完成后用甲基吡咯烷酮(nmp)除膠液除去多余的金，得到以金為源漏電極、rgo為溝道的rgo-fet電極陣列；其中用于傳感的石墨烯大小為20μm×100μm；

13、3)用光刻技術(shù)進行rgo-fet電極陣列的鈍化和封裝

14、在rgo-fet電極陣列上層旋涂su-8?2002光刻膠，在105-135℃下前烘2-3min，使用光刻板并以152mj/cm2的曝光劑量進行曝光100-150s，105-135℃溫度下后烘2-3min，在pgmga顯影液中顯影1-2min，乙醇沖洗后水沖洗，過程中只有rgo-fet電極陣列的溝道區(qū)域露出來；然后將上述器件放在100-200℃熱臺上30-40min固化su-8，完成源漏電極的鈍化；鈍化好的rgo-fet的電極用銀漿連接銅線用于后續(xù)檢測；同時在傳感的石墨烯溝道處，以聚二甲基硅氧烷為粘合劑封裝上一個能容納1ml溶液的聚甲基丙烯酸甲酯管，用于分析物的盛裝；

15、步驟3：rgo-fet生物傳感器的修飾及鈍化

16、利用rgo/go復合結(jié)構(gòu)作為連接體進行識別探針修飾

17、將封裝好的rgo-fet器件置于氧等離子體清洗儀中轟擊100s，在rgo的表面生成薄層go，形成以底層rgo為溝道、表層go為連接體的復合結(jié)構(gòu)；然后利用10mg/ml的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺和5mg/ml的n-羥基丁二酰亞胺的混合溶液活化表層go的羧基，再將10μg/ml?il-6抗體或dna單鏈的pbs溶液倒入聚甲基丙烯酸甲酯管中室溫孵化2-3h后，用pbs洗3次除去非特異性吸附；最后將1mg/ml?bsa的pbs溶液倒入聚甲基丙烯酸甲酯管中室溫孵化0.5-1h，用pbs洗5次完成鈍化，以供后續(xù)檢測使用。

18、本發(fā)明的有益效果：

19、1.使用滴涂還原得到的rgo薄膜，具有成膜面積大、均一、基底粘附力好、導電性雙極性好的優(yōu)點，同時生產(chǎn)過程相對簡單經(jīng)濟，且無高溫和轉(zhuǎn)移污染，制備得到的gfet表現(xiàn)出優(yōu)異的夸導、成本較低。

20、2.使用光刻、刻蝕、濺射等工藝制備得到陣列化、微型化、標準化的rgo-fet陣列，成功率高。微型化的傳感區(qū)域有利于集成，特別是利用光刻對齊所制備的su-8鈍化層能有效避開fet柵電流的影響，提升器件的電學性能和準確度。

21、3.制備的生物傳感器穩(wěn)定性好、靈敏度高。以pet作為基底，所得rgo-fet電極陣列能夠在pbs中維持32天分析性能不變化。采用rgo/go復合結(jié)構(gòu)修飾的器件對il-6的最低檢測限為0.022pg/ml，可對1×pbs和人血清樣品中il-6進行檢測。