一种基于介孔石墨烯场效应晶体管生物传感器的制作方法

本实用新型涉及生物传感器，特别涉及一种基于介孔石墨烯场效应晶体管生物传感器。

背景技术：

石墨烯是一种新型的二维碳材料，表现出优良的电学性质，基于石墨烯的纳米电子器件被认为是传统半导体的优良替代物，但是，本征石墨烯的零带隙是限制其深入应用的重要因素，如场效应晶体管就需要非零带隙的半导体材料；因此，调控石墨烯带隙宽度具有重要意义。

随着石墨烯制备技术的发展，得到结构完整的石墨烯相对较为容易，但是石墨烯的带隙宽度几乎为零或很小，用于制备半导体器件受到极大限制；目前，调控石墨烯带隙宽度有以下几种方法：

（1）物理法；物理法主要针对石墨烯几何尺寸等进行石墨烯带隙宽度的调控；是较为常用的调控石墨烯带隙宽度方法，尤其是通过石墨烯的几何尺寸效应来调控带隙宽度，研究表明，一维尺度受限的石墨烯纳米带具有一定的带隙；目前，制备石墨烯烯纳米带，主要有刻蚀法和裁剪碳纳米管法，前者主要是利用刻蚀法，如光刻蚀、电子束光刻、聚焦离子束光刻等，将片状石墨烯刻成准一维的石墨烯纳米带；后者主要是用强氧化性的高锰酸钾和硫酸、等离子刻蚀、电化学方法等将碳纳米管裁剪开，形成石墨烯纳米带；还可以在石墨烯片上，形成介孔，孔间为石墨烯纳米带，使石墨烯一维尺度受限，从而打开带隙；此外，利用基底对石墨烯的影响也可以导致石墨烯带隙的产生；

（2）化学掺杂法；化学掺杂法分为晶格掺杂和表面吸附掺杂；石墨烯通过化学气相沉积方法可以大面积制备, 在制备过程中或后处理中, 通过引入不同的反应源，可以使石墨烯晶格结构中的部分碳原子被其他原子代替，形成晶格掺杂；

（3）层数控制法；单层石墨烯难以满足某些领域的应用要求, 需要发展制备高质量少层和多层石墨烯的制备工艺；例如，单层石墨烯的本征带隙为零，在半导体领域具有很大的应用局限性；已有研究表明，AB堆垛结构的双层石墨烯在外加电场的作用下可以在一定范围内产生连续可调的带隙, 虽然对于生长双层石墨烯做了大量研究，但是由于生长的双层石墨烯无法精确调控，或为乱层堆垛结构，或层数不均，存在较多的三层或单层区域；如何控制堆垛结构、提高层数均一性是目前CVD生长双层和多层石墨烯研究面临的共同难题。

综上所述，通过物理法，设计石墨烯的几何尺寸来调控帯隙，简单可行；但是，由于光刻技术的制约，刻蚀法制备石墨烯纳米带的宽度，受到极大的限制。另外，裁剪碳纳米管，无法保证石墨烯纳米带的均一性，也不适于大规模制备；在石墨烯上形成介孔是进行带隙调控的可行方案，可以通过介孔孔径的大小来调控石墨烯的能隙；专利201210032772.4利用阳极氧化铝（AAO）模板，制备石墨烯纳米孔阵列，但AAO模板制作工艺较为复杂，包括高纯铝前处理、一次氧化、二次氧化、通孔等工艺，为保证AAO模板的孔径大小和孔间距不同，需要控制电解液种类、浓度、温度、氧化电位及时间等；相对于AAO模板法，软模板一般都很容易构筑，无需复杂的设备，操作方便，成本低廉等，引起人们的广泛关注；美国加州大学洛杉矶分校的段镶锋等通过嵌段聚合物软模板，制备出了介孔石墨烯，成功打开了石墨烯的帯隙，并且可以通过调节孔间距达到调控石墨烯帯隙的目的；众所周知，石墨烯具有巨大的比表面积，将嵌段聚合物软模板覆盖在石墨烯上，会增加石墨烯表面清洁难度，石墨烯表面会有聚合物残余，影响场效应晶体管性能等问题。

技术实现要素：

本实用新型目的是为了克服现有技术的不足而提供一种基于介孔石墨烯场效应晶体管生物传感器，具有较高的电流开关比，能有效地对超低含量的生物分子进行检测。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于介孔石墨烯场效应晶体管生物传感器，包括基底层，设于所述基底层上的介孔石墨烯层，所述介孔石墨烯层上间隔设有一组源、漏电极，所述一组源、漏电极之间的介孔石墨烯层上设有生物识别层，所述生物识别层的上方设有参比电极，所述一组源、漏电极和所述生物识别层之间形成一用于导电的导电沟道，所述参比电极与所述导电沟道内的被测样品溶液插入式连接。

作为本实用新型进一步改进的，所述基底层为Si/SiO₂基底层。

作为本实用新型进一步改进的，所述介孔石墨烯层上设有多个均匀间隔排列的介孔。

作为本实用新型进一步改进的，所述一组源、漏电极为5-10nmCr和30-50nmAu构成。

作为本实用新型进一步改进的，所述导电沟道长为10-20μm，宽为20-30μm。

由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

本实用新型方案提供一种基于介孔石墨烯场效应晶体管生物传感器，不同孔径的介孔石墨烯，达到调控石墨烯能隙的目的；以氧等离子体刻蚀石墨烯形成的活性含氧基团，可以连接生物活性分子；避免AuNPs、戊二醛、芘丁酸、1-羟基琥珀酰亚胺酯-1-芘丁酸等常用连接剂的使用，极大的降低了生物传感器的制造成本；介孔石墨烯场效应晶体管生物传感器，打开了石墨烯的帯隙，具有较大的电流开关比，极少量的生物分子都能够使石墨烯导电沟道的电导率产生显著的响应，大大提升了检测的灵敏度。

附图说明

下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：

附图1为介孔石墨烯结构示意图；

附图2为一种基于介孔石墨烯场效应晶体管生物传感器结构示意图；

附图3检测设备测试基于介孔石墨烯场效应晶体管生物传感器结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

如附图1、2、3所示的本实用新型所述的一种基于介孔石墨烯场效应晶体管生物传感器中，采用微纳加工工艺，制作以介孔石墨烯11为导电沟道的场效应晶体管；一种基于介孔石墨烯场效应晶体管生物传感器包括基底层21，设于基底层21上的介孔石墨烯层22，介孔石墨烯层22上间隔设有一组源电极23、 漏电极24，一组源电极23、 漏电极24之间的介孔石墨烯层22上设有生物识别层25，生物识别层25的上方设有参比电极26，一组源电极23、 漏电极24和生物识别层25之间形成一用于导电的导电沟道，参比电极与导电沟道内的被测样品溶液插入式连接；其中源电极、漏电极为5-10nmCr和30-50nmAu构成，导电沟道长为10-20μm，宽为20-30μm，采用液栅工艺，将Ag/AgCl电极插入被测样品溶液中作为参比电极；氧等离子体刻蚀石墨烯时，在石墨烯边缘形成含氧基团（如羟基、环氧基、羧基、羰基等），将羧基化试剂（含50-200mmol/L的氯乙酸，100-500mmol/L的氢氧化钠溶液）覆盖在介孔石墨烯上，室温孵育2-4h，先用0.1-0.5mmol/L盐酸冲洗，然后用去离子水反复冲洗，使含氧基团转变为-COOH，真空烘箱烘干，并用NHS/EDC活化-COOH；以pH=7.4的0.1×PBS缓冲溶液为溶剂，配制浓度为10-30μg/mL的PSA（前列腺特异抗原）抗体溶液，室温下静置2-5h后，用pH=7.4的0.1×PBS溶液、去离子水冲洗干净；在室温下置于50-100mM的乙醇胺溶液中1-2h，防止非特异性吸附；随后用pH=7.4的0.1×PBST（Tween20体积分数为0.05%，Tween20封闭未连接生物识别分子的石墨烯）溶液冲洗干净，N₂吹干，配制浓度为0，10，100，1000fg/mL的PSA，采用自主研发的便携式检测设备对其进行检测，检测条件为V_DS=1V，Vg=0.1V，测试结果见附图3。

以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制；凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本实用新型权利保护范围之内。