[发明专利]一种石墨烯场效应晶体管生物传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯场效应晶体管生物传感器及其制备方法，生物传感器包括衬底，衬底上设有High‑k介质层，High‑k介质层上设有源电极、漏电极和石墨烯沟道层，源电极、漏电极分别设置在石墨烯沟道层的两端，石墨烯沟道层上为普鲁士蓝，普鲁士蓝上为生物识别分子层；制备方法：以金属箔为基底，生长石墨烯薄膜，将石墨烯薄膜转移至衬底上，作为石墨烯沟道层；在石墨烯沟道层的两端形成源电极和漏电极；在石墨烯沟道层上沉积普鲁士蓝；在普鲁士蓝上修饰生物分子识别层。本发明使酶催化底物产生的双氧水先与电媒介物质普鲁士蓝发生反应，并将反应电子直接注入或导出石墨烯沟道，有效提高石墨烯场效应晶体管生物传感器的检测灵敏度和选择性。

技术领域

本发明涉及生物传感器技术领域，尤其涉及一种石墨烯场效应晶体管生物传感器及其制备方法。

背景技术

生物传感器的信号转换有场效应晶体管、电化学、光电转换等，其中，场效应晶体管生物传感器由于其免标记的特性，受到越来越多的关注。近年来，已有多种纳米材料用于制备场效应晶体管，用于生物传感器，如碳纳米管、硅纳米线、石墨烯等。其中石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维纳米材料，其极高的电子迁移率、双极性场效应等特性，特别适用于场效应晶体管，石墨烯优异的性质，可以用来提高生物传感器的检测灵敏度和选择性。

传统的石墨烯场效应晶体管对血糖(葡萄糖)、乳酸、尿酸等的识别机理为，葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、尿酸氧化酶选择性的催化氧化葡萄糖、乳酸、尿酸，生成双氧水。双氧水对石墨烯场效应晶体管的电学性能产生影响，南京邮电大学魏昂等利用此原理，可以检测出0.1mmol/L的葡萄糖浓度。为进一步提高石墨烯场效应晶体管生物传感器检测葡萄糖、乳酸、尿酸等的检测灵敏，我们研发了一项石墨烯生物传感器。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种石墨烯场效应晶体管生物传感器及其制备方法，有效提高石墨烯场效应晶体管生物传感器检测灵敏度和选择性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种石墨烯场效应晶体管生物传感器，包括衬底，所述衬底上设有High-k介质层，所述High-k介质层上设有源电极、漏电极和石墨烯沟道层，所述源电极、漏电极分别设置在石墨烯沟道层的两端，所述石墨烯沟道层上为普鲁士蓝，普鲁士蓝上为生物识别分子层。

进一步的，所述衬底为Si、玻璃、PET、PMMA、PDMS、PI等材料中的至少一种。

进一步的，所述High-k介质层为HfO₂、Al₂O₃、SiO₂等中的一种，采用原子束沉积法、磁控溅射、蒸镀制备。

进一步的，所述源电极、漏电极为Cr、Au复合金属层。

进一步的，所述生物分子识别层为固定在普鲁士蓝上面的葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、尿酸酶等以及其他能分解底物产生双氧水的酶类。

一种所述石墨烯场效应晶体管生物传感器的制备方法，所述方法包括如下步骤：

以金属箔为基底，生长石墨烯薄膜，将石墨烯薄膜转移至衬底上，作为石墨烯沟道层；

通过微纳加工工艺，在石墨烯沟道层的两端形成源电极和漏电极；

在石墨烯沟道层上沉积普鲁士蓝；

采用化学方法在普鲁士蓝上修饰生物分子识别层。

进一步的，所述石墨烯沟道层采用化学气相沉积法制备的石墨烯或还原氧化石墨烯或机械剥离制备的石墨烯，并通过PMMA法将石墨烯转移到基底上。

进一步的，所述微纳加工工艺包括光刻工艺、电子束蒸镀工艺、剥离等工艺制备了以石墨烯为导电沟道的场效应晶体管，源电极和漏电极为5-10nm Cr和30-50nmAu构成，导电沟道长为10-20μm，长为20-30μm。