用于检测亚硝胺类化合物的分子印迹外延栅极场效应传感器及其制备方法和应用

本说明书实施例涉及分子印迹传感器领域，尤其涉及一种用于检测亚硝胺类化合物的分子印迹外延栅极场效应传感器及其制备方法，以及应用所述场效应传感器检测亚硝胺类化合物的方法。

背景技术：

1、人类约有80％的疾病与微生物相关，而其中60％以上是通过饮用水传播，所以消毒是饮用水生产过程中关键的一步。在该过程中，大量病原微生物被消杀，但与此同时产生的消毒副产物对人体健康具有潜在的危害。近年来，随着对饮水消毒副产物健康危害的逐步了解，关于检测方面的研究也越来越深入。亚硝胺类化合物(nas)作为一种新型的消毒副产物，因其遗传毒性、潜在致癌性等危害受到关注，检测亚硝胺类化合物已经成为水样检控中不可缺少的一环。

2、在水样检测中，因为nas的痕量存在，往往使得其检测手段变得繁琐且困难。在近几十年检测技术的发展过程中，出现了诸如色谱-质谱联用、电化学检测等检测手段，其中较为普遍的是色谱-质谱联用技术。近年来，有机场效应晶体管(ofet)被认为是极具潜力与发展前景的传感器件，其高灵敏、低检测限、体积小、易集成等特点决定了它在应用于nas相关检测时具备较强优势。

技术实现思路

1、在ofet高效检测的基础上，本发明制备了分子印迹聚合物敏感膜作为延长栅极，利用制备的延长栅极与ofet共同构建基于ofet的分子印迹传感平台。其中，一方面，利用了分子印迹聚合物能够通过共价、非共价或半共价作用捕捉体系中的模板分子从而达到特异性识别的能力，另一方面，利用了场效应晶体管的放大信号的能力。通过将场效应晶体管放大信号的优势和分子印迹聚合物特异性识别的优势进行整合，实现了对低浓度范围亚硝胺类化合物的快速、灵敏、精准检测，构建了识别亚硝胺类化合物的新型应用载体。

2、本发明的目的是，结合场效应晶体管的输出信号放大能力和分子印迹聚合物对模板分子的特异性识别能力，提供了一种检测亚硝胺类化合物的分子印迹外延栅极场效应传感器，并将其应用于构建基于ofet的分子印迹传感平台，实现对pm浓度级别的亚硝胺类化合物的高效灵敏响应，检测灵敏度明显高于色谱、电化学等检测方法，有望作为对亚硝胺类化合物高灵敏检测的新型应用载体。

3、本发明的一种用于检测亚硝胺类化合物的分子印迹外延栅极场效应传感器，具体可以包括：

4、有机场效应晶体管，包括硅片基底、设置在所述硅片基底表面的二氧化硅绝缘层、设置在所述二氧化硅绝缘层上的十八烷基三氯硅烷改性钝化层、设置在所述改性钝化层上的有机半导体层以及设置在所述有机半导体层上的源极和漏极；

5、分子印迹外延栅极，通过导线与所述有机场效应晶体管的栅极连接；换言之，所述硅片基底的与所述分子印迹外延栅极连接的部分，作为所述有机场效应晶体管的栅极；其中，所述分子印迹外延栅极为以3-己基噻吩作为功能单体，亚硝胺类化合物作为模板分子，在氧化铟锡导电玻璃上通过电化学聚合法制备的分子印迹聚合物膜；

6、其中，所述分子印迹外延栅极用于在使用所述场效应传感器测试待测样品溶液时置于所述待测样品溶液中。

7、其中，所述有机半导体层具体可以包括聚3-烷基噻吩或亚苯基噻吩。可选地，所述聚3-烷基噻吩包括聚3-丁基噻吩(p3bt)、聚3-己基噻吩(p3ht)、聚3-十二烷基噻吩(p3ddt)等，不限于此。

8、可选地，作为模板分子的所述亚硝胺类化合物可以包括选自于n-亚硝基二甲胺(ndma)、n-亚硝基甲基乙胺(nmea)、n-亚硝基吡咯烷(npyr)、n-亚硝基二乙胺(ndea)、n-亚硝基哌啶(npip)、n-亚硝基吗啉(nmor)、n-亚硝基二丙胺(ndpa)、n-亚硝基二丁胺(ndba)和n-亚硝基二苯胺(ndpha)中的任意一种。

9、本发明的一种用于检测亚硝胺类化合物的分子印迹外延栅极场效应传感器的制备方法，可以包括以下步骤：

10、步骤(1)，外延栅极的制备：

11、采用3-己基噻吩作为功能单体，亚硝胺类化合物作为模板分子，在氧化铟锡(ito)导电玻璃上通过电化学聚合法制备分子印迹聚合物膜，再洗脱模板分子，得到分子印迹外延栅极。

12、步骤(2)，有机场效应晶体管的制备：

13、对附着有二氧化硅绝缘层的硅片基底，使用十八烷基三氯硅烷进行疏水改性处理，然后旋涂有机聚合物或蒸镀有机小分子制备有机半导体层，再蒸镀金电极制备源极和漏极，得到有机场效应晶体管(ofet)。

14、步骤(3)，将制备的所述外延栅极和所述有机场效应晶体管的栅极通过导线连接，构建用于检测亚硝胺类化合物的分子印迹外延栅极场效应传感器；所述栅极为所述硅片基底的未被所述二氧化硅绝缘层覆盖的部分。

15、可选地，步骤(1)中，电化学聚合在室温条件下进行，采用三电极溶液体系，ito电极为工作电极，ag/agcl为参比电极，pt丝为辅助电极，在0-3v电位范围内使用循环伏安法聚合。可选地，聚合圈数可以为1-4圈，例如，可以为1圈、2圈、3圈、4圈等；扫描速度可以为25-100mv/s，例如，可以为间隔为25mv/s、50mv/s、75mv/s、100mv/s等。

16、可选地，步骤(1)中，电化学聚合所用电解液可以为3-己基噻吩和亚硝胺类化合物的乙腈溶液，电解质为正四丁基六氟磷酸铵。其中，亚硝胺类化合物与3-己基噻吩的摩尔比为1：1至1：5。作为示例，电解液可以为20mm 3-己基噻吩与5mm亚硝胺类化合物的乙腈溶液，电解质为50mm n-bu4npf6。

17、可选地，步骤(1)中，可以使用甲醇和乙酸的混合溶液洗脱模板分子。具体地，可以将分子印迹聚合物膜浸没在甲醇和乙酸的混合溶液中进行洗脱。可选地，甲醇和乙酸的混合溶液中甲醇和乙酸的体积比可以为10：0至7：3。可选地，使用甲醇和乙酸的混合溶液洗脱分子印迹聚合物膜的洗脱时间可以为40-70min，例如，可以为40min、50min、60min、70min等。

18、可选地，步骤(2)中，硅片基底上附着的二氧化硅绝缘层的厚度可以为100-400nm，例如，可以为100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm等。在实际制备有机场效应晶体管前，可以先将硅片基底切割为一定的规格。例如，可以将附着有二氧化硅绝缘层的硅片基底切成2*2cm规格。

19、可选地，步骤(2)中，使用十八烷基三氯硅烷进行疏水改性处理的过程，具体可以包括依次使用十八烷基三氯硅烷(ots)浸泡处理、二甲苯浸泡处理，然后进行干燥。可选地，ots浸泡处理所用的溶液可以是在环己烷和三氯甲烷的混合溶剂中溶解十八烷基三氯硅烷(ots)得到的溶液。可选地，环己烷和三氯甲烷的混合溶剂中环己烷与三氯甲烷的体积比可以为3：1。可选地，可以使用15-20ml环己烷，150-200μl十八烷基三氯硅烷(ots)。作为示例，可以将15ml环己烷、5ml三氯甲烷、200μl十八烷基三氯硅烷(ots)依次混合、搅拌均匀得到ots处理所用的溶液。可选地，ots浸泡处理的时间可以为90min。可选地，二甲苯浸泡处理的时间可以为1h，以去除前一步骤在硅片基底表面残留的ots。

20、另外可选地，步骤(2)中，也可以不使用十八烷基三氯硅烷和二甲苯，而是使用氢气对表面进行等离子体清洗，达到疏水改性处理的目的。

21、可选地，步骤(2)中，在使用十八烷基三氯硅烷(ots)处理硅片基底之前，可以对硅片基底进行清洗和干燥。可选地，对硅片基底进行清洗，具体地可以依次采用清洗液、丙酮、乙醇、异丙醇、去离子水进行超声清洗。例如，可以依次清洗约15min。可选地，对硅片基底进行干燥，具体可以是使用氮气吹干。

22、可选地，步骤(2)中，制备所述有机半导体层时旋涂的有机聚合物可以包括聚3-烷基噻吩或亚苯基噻吩等。可选地，所述聚3-烷基噻吩包括聚3-丁基噻吩(p3bt)、聚3-己基噻吩(p3ht)、聚3-十二烷基噻吩(p3ddt)等，不限于此。

23、可选地，步骤(2)中，制备所述有机半导体层时蒸镀的有机小分子可以包括并五苯、苝二酰亚胺、萘二酰亚胺或金属酞菁等。

24、作为可选的示例，若使用旋涂聚3-己基噻吩(p3ht)制备有机半导体层。则步骤(2)中，旋涂p3ht氯苯溶液制备有机半导体层的过程，具体可以包括使用8-10mg/ml的p3ht溶液，在疏水改性后的硅片基底表面进行旋涂，然后真空退火，制得有机半导体层。可选地，p3ht溶液的溶剂可以为氯苯；或者，p3ht溶液的溶剂可以为氯苯和二氯甲烷的混合溶剂，其中，二氯甲烷的体积占比不大于30％。可选地，每次旋涂可以使用150-200μl p3ht溶液。可选地，旋涂的转速可以为1500rpm，持续时间可以为40s。可选地，真空退火的温度可以为100℃，真空退火时间可以为10h。

25、可选地，步骤(2)中，蒸镀金电极的厚度可以为80-100nm。可选地，蒸镀速率可以为

26、可选地，作为模板分子的所述亚硝胺类化合物和被检测的所述亚硝胺类化合物可以独立地选自于n-亚硝基二甲胺(ndma)、n-亚硝基甲基乙胺(nmea)、n-亚硝基吡咯烷(npyr)、n-亚硝基二乙胺(ndea)、n-亚硝基哌啶(npip)、n-亚硝基吗啉(nmor)、n-亚硝基二丙胺(ndpa)、n-亚硝基二丁胺(ndba)和n-亚硝基二苯胺(ndpha)中的任意一种。

27、利用本发明的传感器检测亚硝胺类化合物的方法，可以包括以下步骤：

28、(1)配制待测样品溶液；

29、(2)固定测试时栅极和源极之间的电压以及源极和漏极之间的电压，向样品池中加入待测样品溶液，测得饱和电流响应值；

30、(3)根据饱和电流响应值，计算出饱和电流的相对变化量δi/i0(δi/i0＝(i-i0)/i0)，其中，i0为传感器对空白溶液的饱和电流响应值，i为传感器对各浓度待测样品溶液的饱和电流响应值；

31、(4)之后，以lgc为横坐标，δi/i0为纵坐标，对数据点进行线性拟合，考察待测样品浓度与饱和电流响应值之间的关系。

32、可选地，所述步骤(2)重复测试次数为1-5次，间隔为1。

33、可选地，所述步骤(2)中，栅极和源极之间的电压为-30-30v，源极电压和漏极电压为0-50v。

34、本发明的优势在于：1、利用分子印迹外延栅极场效应传感器结构，减小了液体环境对ofet器件的损害，并可在低电压下实现对亚硝胺类化合物的快速简便灵敏区别响应，最低检测浓度在pm级别。2、结合了分子印迹对模板分子的特异性识别能力和ofet的信号放大能力，传感器响应明显，检测灵敏度高。3、本传感器结构及检测方法简单，可实现器件和分子印迹敏感膜的多次使用，适合规模化制备和应用，有望作为现场检测新型应用载体。