本發(fā)明屬于場效應(yīng)晶體管生物傳感器，涉及一種簡單快速的大面積免轉(zhuǎn)移石墨烯場效應(yīng)晶體管生物傳感器的制作方法。

背景技術(shù)：

1、鉀離子(k+)是生物系統(tǒng)中的主要陽離子之一，對調(diào)節(jié)身體功能至關(guān)重要，鉀濃度的異常波動可能會影響心臟、腎臟、神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等的正常功能。對于細(xì)胞而言，離子穩(wěn)態(tài)被擾亂失衡，如細(xì)胞外的鈉離子濃度降低或鉀離子濃度升高，會導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。細(xì)胞凋亡是一種細(xì)胞程序性死亡的過程，會導(dǎo)致許多病理狀況，如癌癥、神經(jīng)退行性疾病、動脈粥樣硬化和自身免疫性疾病等。因此，有效檢測細(xì)胞環(huán)境鉀水平在醫(yī)療健康監(jiān)測中非常重要，迫切需要開發(fā)用于離子檢測的實時傳感監(jiān)測設(shè)備。與傳統(tǒng)的電化學(xué)離子檢測電極相比，高靈敏度高選擇性的石墨烯場效應(yīng)晶體管離子選擇性傳感器在實時離子監(jiān)測方面顯示出巨大的潛力。

2、hongmei?li等人在文章graphene?field?effect?transistors?for?highlysensitive?and?selective?detectionofk+ions中提出基于石墨烯的isfet傳感器具有高載流子遷移率，高比表面積，低噪聲等優(yōu)點，得益于石墨烯的單層二維結(jié)構(gòu)以及fet的自放大效應(yīng)，對表面的低濃度目標(biāo)物產(chǎn)生的電荷變化異常敏感，是目前isfet傳感器應(yīng)用的主要類型。然而盡管石墨烯基isfet在離子檢測方面已經(jīng)取得了巨大的成就，在實際應(yīng)用中仍然需要考慮一些問題。

3、制作石墨烯常用的方法有機械剝離法、化學(xué)氣相沉積法(cvd)以及氧化石墨烯還原法等，在這些方法中，cvd應(yīng)用得最為廣泛，得到的石墨烯質(zhì)量高；如hongmei?li等人在文章direct?measurement?of?k+ion?efflux?from?neuronal?cells?using?a?graphene-based?ion?sensitive?field?effect?transistor中采用cvd方法得到高質(zhì)量的石墨烯，可對細(xì)胞外排的鉀離子進(jìn)行高靈敏度檢測。但制作工藝復(fù)雜，價格昂貴，且對于石墨烯來說，沒有做到真正的大面積晶圓級別的制備，非陣列化無法保證器件間性能的一致性，也無法做到對同種離子的多次重復(fù)測量或?qū)Χ喾N離子的同時測量，比如ibrahim?fakih等人在文章high?resolution?potassium?sensing?with?large-area?graphene?field-effecttransistors中制備的石墨烯面積只有1×1cm2。即使做出了大面積的cvd石墨烯，但免不了復(fù)雜的轉(zhuǎn)移過程，且在轉(zhuǎn)移過程中會有pmma的殘留的問題，如ibrahim?fakih等人的文章selective?ion?sensing?with?high?resolution?large?area?graphene?field?effecttransistor?arrays。而氧化石墨烯還原法，在經(jīng)過旋涂工藝后，可以克服這些問題，石墨烯膜制作簡單、經(jīng)濟(jì)、大面積且免轉(zhuǎn)移，如walid-madhat?munief等人在文章reducedgraphene?oxide?biosensor?platform?for?the?detection?of?nt-probnp?biomarker?inits?clinical?range中以及dana?kadadou等人在文章detection?of?sars-cov-2inclinical?and?environmental?samples?using?highly?sensitive?reduced?grapheneoxide(rgo)-based?biosensor中提到，制作了易于集成的陣列化的器件，但是用到了400℃以上的高溫還原條件，而像pet、pi等柔性基底在200℃甚至150℃就會發(fā)生變形，高溫限制了在柔性基底上的應(yīng)用。

4、綜上所述，石墨烯基isfet傳感器目前主要問題可概括為：1)cvd法制備石墨烯過程繁瑣，工藝價格昂貴，且有復(fù)雜的轉(zhuǎn)移過程，會有物質(zhì)殘留影響石墨烯性能。2)無法做到真正的大面積石墨烯水平，不能進(jìn)行陣列化應(yīng)用，影響器件之間的性能一致性。3)能做到大面積免轉(zhuǎn)移的旋涂氧化石墨烯還原法也需要高還原條件，不溫和的還原條件無法應(yīng)用于柔性基底。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了改善上述石墨烯基isfet傳感器的問題，本發(fā)明設(shè)計了一款基于大面積、免轉(zhuǎn)移的石墨烯膜材料的場效應(yīng)晶體管的生物傳感器。首先是使用旋涂工藝制作氧化石墨烯膜，再經(jīng)肼化學(xué)還原以及一步空氣熱退火工藝得到均勻統(tǒng)一且大面積的rgo膜，制作工藝簡單經(jīng)濟(jì)免轉(zhuǎn)移，且還原條件溫和，溫度控制在200℃以下；此外，大面積rgo膜的簡單溫和制作方法也可使傳感器應(yīng)用于柔性基底，擴大了傳感器的應(yīng)用范圍。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：

3、一種簡單快速的大面積免轉(zhuǎn)移石墨烯場效應(yīng)晶體管生物傳感器的制作方法。

4、該大面積免轉(zhuǎn)移石墨烯場效應(yīng)晶體管生物傳感器是由沉積在玻璃基底的大面積rgo膜、鉀離子選擇性膜、由金或銀制得的源漏電極以及測試池子組成；所述的大面積rgo膜是由旋涂在玻璃基底上的氧化石墨烯膜經(jīng)100℃肼化學(xué)還原以及一步200℃空氣熱退火工藝而制得的；

5、步驟1：大面積石墨烯膜的制備

6、(1)對玻璃片進(jìn)行親水處理300-400s；3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液與乙醇按體積比1：100混合，將親水處理后的玻璃片放入其中浸泡2-3h；

7、(2)浸泡后的玻璃片用乙醇沖洗，氮氣吹干；將濃度為1mg/ml的氧化石墨烯溶液涂覆在玻璃片表面，先在低轉(zhuǎn)速450-500rpm涂覆10-15s，再在高轉(zhuǎn)速1000-1300rpm涂覆30-40s，即得到氧化石墨烯膜；

8、(3)在密封裝置中，對氧化石墨烯膜先用肼蒸汽100℃化學(xué)還原45min-1h，再經(jīng)200℃空氣熱退火20-30min還原得到還原氧化石墨烯膜，即為大面積rgo膜。

9、步驟2：高長寬比的石墨烯場效應(yīng)晶體管大器件的制備

10、在還原氧化石墨烯膜上設(shè)計長寬比為10：1-5：1的石墨烯溝道，在石墨烯溝道兩側(cè)用金漿或銀漿涂覆作為源漏電極，接銅絲引出源漏電極，在100-120℃溫度條件下烘干；去掉其余部分的rgo膜，再用聚二甲基硅氧烷封裝住除石墨烯溝道以外其余部分，固定住測試池子；

11、步驟3：離子選擇性膜的修飾

12、取鉀離子選擇性膜混合物的配方，溶于四氫呋喃thf中，得到鉀離子選擇性膜混合物溶液，控制鉀離子選擇性膜混合物的濃度在125-250mg/ml；鉀離子選擇性膜混合物溶液經(jīng)超聲處理均勻后，密封保存于4℃；通過滴涂將鉀離子選擇性膜混合物溶液澆鑄到石墨烯溝道上，真空干燥30-60min后得到一層穩(wěn)定的ism，器件制作完成；最終即得到可檢測鉀離子的石墨烯場效應(yīng)晶體管生物傳感器。

13、采用文獻(xiàn)h.li?et?al./sensors?and?actuators?b?253(2017)759–765中的鉀離子選擇性膜(k+-ism)混合物的配方，具體為鉀離子選擇性膜混合物的配方按照質(zhì)量百分比記，主要由2wt.％纈氨霉素，0.6wt.％四苯硼鈉，32.7wt.％聚氯乙烯pvc和64.7wt.％癸二酸二辛酯dos組成。

14、所述的鉀離子選擇性膜混合物溶液與石墨烯溝道的面積比例關(guān)系為7.5-8μl/cm2。

15、本發(fā)明的有益效果：

16、1.采用的氧化石墨烯(go)的還原方法溫和，在不舍棄器件性能的條件下，200℃及以下、2h以內(nèi)的肼化學(xué)還原以及空氣熱退火工藝還原條件，大大縮短了器件的制備時間并降低了還原的高條件，同樣能達(dá)到文獻(xiàn)提及的15小時及以上肼化學(xué)還原或400℃及以上高溫條件的氧化石墨烯還原效果，可通過xps表征中碳氧兩種元素的相對含量以及檢測物質(zhì)的靈敏度來證明。溫和的還原條件使其同樣能應(yīng)用于柔性電子及可穿戴領(lǐng)域。

17、2.免轉(zhuǎn)移的制備條件，玻璃片直接作為基底制備膜傳感區(qū)域以及整個的生物傳感器件，工藝簡單經(jīng)濟(jì)。

18、3.采用微納加工技術(shù)可陣列化制備多個易于集成的標(biāo)準(zhǔn)器件，保證了批量化制作的器件的性能一致性；

19、4.本發(fā)明所制備的離子選擇性傳感器具有簡單快速(免轉(zhuǎn)移)、經(jīng)濟(jì)(旋涂大面積rgo膜)、條件溫和(200℃及以下)、無標(biāo)記、對鉀離子具有快速響應(yīng)等特點，并結(jié)合了it2805半導(dǎo)體測試儀，實現(xiàn)了對鉀離子的實時監(jiān)測，有利于生理環(huán)境下實時連續(xù)離子檢測器件的發(fā)展。