本發(fā)明屬生物傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種介孔石墨烯制備工藝及基于介孔石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器。

背景技術(shù)：

石墨烯是一種新型的二維碳材料，表現(xiàn)出優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)，基于石墨烯的納米電子器件被認(rèn)為是傳統(tǒng)半導(dǎo)體的優(yōu)良替代物，但是，本征石墨烯的零帶隙是限制其深入應(yīng)用的重要因素，如場(chǎng)效應(yīng)晶體管就需要非零帶隙的半導(dǎo)體材料；因此，調(diào)控石墨烯帶隙寬度具有重要意義。

隨著石墨烯制備技術(shù)的發(fā)展，得到結(jié)構(gòu)完整的石墨烯相對(duì)較為容易，但是石墨烯的帶隙寬度幾乎為零或很小，用于制備半導(dǎo)體器件受到極大限制；目前，調(diào)控石墨烯帶隙寬度有以下幾種方法：

（1）物理法；物理法主要針對(duì)石墨烯幾何尺寸等進(jìn)行石墨烯帶隙寬度的調(diào)控；是較為常用的調(diào)控石墨烯帶隙寬度方法，尤其是通過石墨烯的幾何尺寸效應(yīng)來調(diào)控帶隙寬度，研究表明，一維尺度受限的石墨烯納米帶具有一定的帶隙；目前，制備石墨烯烯納米帶，主要有刻蝕法和裁剪碳納米管法，前者主要是利用刻蝕法，如光刻蝕、電子束光刻、聚焦離子束光刻等，將片狀石墨烯刻成準(zhǔn)一維的石墨烯納米帶；后者主要是用強(qiáng)氧化性的高錳酸鉀和硫酸、等離子刻蝕、電化學(xué)方法等將碳納米管裁剪開，形成石墨烯納米帶；還可以在石墨烯片上，形成介孔，孔間為石墨烯納米帶，使石墨烯一維尺度受限，從而打開帶隙；此外，利用基底對(duì)石墨烯的影響也可以導(dǎo)致石墨烯帶隙的產(chǎn)生；

（2）化學(xué)摻雜法；化學(xué)摻雜法分為晶格摻雜和表面吸附摻雜；石墨烯通過化學(xué)氣相沉積方法可以大面積制備, 在制備過程中或后處理中, 通過引入不同的反應(yīng)源，可以使石墨烯晶格結(jié)構(gòu)中的部分碳原子被其他原子代替，形成晶格摻雜；

（3）層數(shù)控制法；單層石墨烯難以滿足某些領(lǐng)域的應(yīng)用要求, 需要發(fā)展制備高質(zhì)量少層和多層石墨烯的制備工藝；例如，單層石墨烯的本征帶隙為零，在半導(dǎo)體領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用局限性；已有研究表明，AB堆垛結(jié)構(gòu)的雙層石墨烯在外加電場(chǎng)的作用下可以在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的帶隙, 雖然對(duì)于生長(zhǎng)雙層石墨烯做了大量研究，但是由于生長(zhǎng)的雙層石墨烯無法精確調(diào)控，或?yàn)閬y層堆垛結(jié)構(gòu)，或?qū)訑?shù)不均，存在較多的三層或單層區(qū)域；如何控制堆垛結(jié)構(gòu)、提高層數(shù)均一性是目前CVD生長(zhǎng)雙層和多層石墨烯研究面臨的共同難題。

綜上所述，通過物理法，設(shè)計(jì)石墨烯的幾何尺寸來調(diào)控帯隙，簡(jiǎn)單可行；但是，由于光刻技術(shù)的制約，刻蝕法制備石墨烯納米帶的寬度，受到極大的限制。另外，裁剪碳納米管，無法保證石墨烯納米帶的均一性，也不適于大規(guī)模制備；在石墨烯上形成介孔是進(jìn)行帶隙調(diào)控的可行方案，可以通過介孔孔徑的大小來調(diào)控石墨烯的能隙；專利201210032772.4利用陽極氧化鋁（AAO）模板，制備石墨烯納米孔陣列，但AAO模板制作工藝較為復(fù)雜，包括高純鋁前處理、一次氧化、二次氧化、通孔等工藝，為保證AAO模板的孔徑大小和孔間距不同，需要控制電解液種類、濃度、溫度、氧化電位及時(shí)間等；相對(duì)于AAO模板法，軟模板一般都很容易構(gòu)筑，無需復(fù)雜的設(shè)備，操作方便，成本低廉等，引起人們的廣泛關(guān)注；美國加州大學(xué)洛杉磯分校的段鑲鋒等通過嵌段聚合物軟模板，制備出了介孔石墨烯，成功打開了石墨烯的帯隙，并且可以通過調(diào)節(jié)孔間距達(dá)到調(diào)控石墨烯帯隙的目的；眾所周知，石墨烯具有巨大的比表面積，將嵌段聚合物軟模板覆蓋在石墨烯上，會(huì)增加石墨烯表面清潔難度，石墨烯表面會(huì)有聚合物殘余，影響場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀，提供一種介孔石墨烯制備工藝及基于介孔石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器，通過打開石墨烯能隙，制備了一種介孔石墨烯，并以此制備了一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器，具有較高的電流開關(guān)比，能有效地對(duì)超低含量的生物分子進(jìn)行檢測(cè)。

為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采取的一種技術(shù)方案是：

一種介孔石墨烯制備工藝,包括以下工藝步驟：

（1）在基底上制備石墨烯薄膜；

（2）在石墨烯薄膜上組裝周期性排列的納米微球陣列；將Si/SiO₂/石墨烯薄膜/納米微球陣列，高溫加熱，使納米球體與石墨烯緊密粘合；

（3）在Si/SiO₂/石墨烯薄膜/納米微球陣列上蒸鍍金屬薄膜，用有機(jī)溶劑除去聚合物納米球；

（4）采用氧氣等離子刻蝕體刻蝕石墨烯，然后刻蝕掉金屬形成介孔石墨烯；

（5）氧等離子體刻蝕石墨烯時(shí)，在石墨烯邊緣形成含氧基團(tuán)，將含氧基團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)?COOH，連接生物識(shí)別分子；

（4）在介孔石墨烯上，制作場(chǎng)效應(yīng)晶體管；以Ag/AgCl或鉑絲插入被測(cè)液體樣品作為參比電極；源、漏極為金屬電極。

優(yōu)選的，所述步驟（1）中石墨烯薄膜為CVD法合成的石墨烯或還原氧化石墨烯或機(jī)械剝離石墨烯。

優(yōu)選的，所述步驟（3）中金屬薄膜為Al金屬薄膜或Cu金屬薄膜或Ni金屬薄膜。

優(yōu)選的，所述步驟（5）中含氧基團(tuán)為羥基或環(huán)氧基或羧基或羰基。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的另一技術(shù)方案是：

一種基于介孔石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器，包括基底層，設(shè)于所述基底層上的介孔石墨烯層，所述介孔石墨烯層上間隔設(shè)有一組漏源電極，所述一組漏源電極之間的介孔石墨烯層上設(shè)有生物識(shí)別層，所述生物識(shí)別層的上方設(shè)有參比電極，所述一組漏、源電極和所述生物識(shí)別層之間形成一用于導(dǎo)電的導(dǎo)電溝道，所述參比電極與所述導(dǎo)電溝道內(nèi)的被測(cè)樣品溶液插入式連接。

優(yōu)選的，所述基底層為Si/SiO₂基底層。

優(yōu)選的，所述介孔石墨烯層上設(shè)有多個(gè)均勻間隔排列的介孔。

優(yōu)選的，所述源、漏電極為5-10nmCr和30-50nmAu構(gòu)成。

優(yōu)選的，所述導(dǎo)電溝道長(zhǎng)為10-20μm，寬為20-30μm。

本發(fā)明的積極效果表現(xiàn)在：本發(fā)明提供一種介孔石墨烯制備工藝及基于介孔石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器；在石墨烯表面組裝周期性排列的納米微球陣列，蒸鍍Al、Cu、Ni等，去除納米微球，以此為掩膜，制備出不同孔徑的介孔石墨烯，得到不同孔間距的介孔石墨烯，達(dá)到調(diào)控石墨烯能隙的目的；以氧等離子體刻蝕石墨烯形成的活性含氧基團(tuán)，可以連接生物活性分子；避免AuNPs、戊二醛、芘丁酸、1-羥基琥珀酰亞胺酯-1-芘丁酸等常用連接劑的使用，極大的降低了生物傳感器的制造成本；介孔石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器，打開了石墨烯的帯隙，具有較大的電流開關(guān)比，極少量的生物分子都能夠使石墨烯導(dǎo)電溝道的電導(dǎo)率產(chǎn)生顯著的響應(yīng)，大大提升了檢測(cè)的靈敏度。

附圖說明

附圖1為石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2為在石墨烯薄膜上組裝周期性排列的納米微球陣列后的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖3為在si/sio₂/石墨烯薄膜/納米微球陣列上蒸鍍金屬薄膜后結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖4為有機(jī)溶劑去除聚合物納米球后結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖5為介孔石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖6為基于介孔石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖7檢測(cè)設(shè)備測(cè)試基于介孔石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施實(shí)例如下：

（1）化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯薄膜11，如附圖1，將石墨烯薄膜11轉(zhuǎn)移到Si/SiO₂基底21上，得到Si/SiO₂/石墨烯22，清洗干凈，N₂吹干待用；

（2）將粒徑為8-80nm的PMMA納米球23分散在5-10mL的去離子水/無水乙醇（體積比1：1）的混合溶劑中，將PMMA納米球23分散液緩慢滴加入0.5-5wt%的表面活性劑SDS溶液中，PMMA納米球23在氣/液界面組裝形成單層納米球薄膜，Si/SiO₂/石墨烯22斜插入液面以下，將單層PMMA納米球23薄膜轉(zhuǎn)移在石墨烯表面；

（3）將（2）得到的Si/SiO₂/石墨烯/PMMA納米球，120-150℃烘烤10-30min，使PMMA納米球23緊密貼在石墨烯22表面，如附圖2；然后，在其表面蒸鍍10-100nm的金屬薄膜31，如金屬Al薄膜，如附圖3；

（4）將（3）浸泡在丙酮中，除去PMMA納米球23后結(jié)構(gòu)為41，如附圖4；依次用無水乙醇、去離子水清洗干凈，N2吹干，用氧氣等離子刻蝕石墨烯；用0.5mol/L的鹽酸除去Al，去離子水反復(fù)沖洗，N₂吹干，即得到Si/SiO₂/介孔石墨烯51；如附圖5；

（5）采用微納加工工藝，制作以介孔石墨烯51為導(dǎo)電溝道的場(chǎng)效應(yīng)晶體管；包括基底層61，設(shè)于基底層61上的介孔石墨烯層62，介孔石墨烯層62上間隔設(shè)有一組源電極63、 漏電極64，一組源電極63、 漏電極64之間的介孔石墨烯層62上設(shè)有生物識(shí)別層65，生物識(shí)別層65的上方設(shè)有參比電極66，一組源電極63、 漏電極64和生物識(shí)別層65之間形成一用于導(dǎo)電的導(dǎo)電溝道，參比電極與導(dǎo)電溝道內(nèi)的被測(cè)樣品溶液插入式連接；其中源電極、漏電極為5-10nmCr和30-50nmAu構(gòu)成，導(dǎo)電溝道長(zhǎng)為10-20μm，寬為20-30μm，采用液柵工藝，將Ag/AgCl電極插入被測(cè)樣品溶液中作為參比電極；如附圖6；

（6）氧等離子體刻蝕石墨烯時(shí)，在石墨烯邊緣形成含氧基團(tuán)（如羥基、環(huán)氧基、羧基、羰基等），將羧基化試劑（含50-200mmol/L的氯乙酸，100-500mmol/L的氫氧化鈉溶液）覆蓋在介孔石墨烯上，室溫孵育2-4h，先用0.1-0.5mmol/L鹽酸沖洗，然后用去離子水反復(fù)沖洗，使含氧基團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)?COOH，真空烘箱烘干，并用NHS/EDC活化-COOH；以pH=7.4的0.1×PBS緩沖溶液為溶劑，配制濃度為10-30μg/mL的PSA（前列腺特異抗原）抗體溶液，室溫下靜置2-5h后，用pH=7.4的0.1×PBS溶液、去離子水沖洗干凈；

（7）將（6）得到的器件，室溫下置于50-100mM的乙醇胺溶液中1-2h，防止非特異性吸附；隨后用pH=7.4的0.1×PBST（Tween20體積分?jǐn)?shù)為0.05%，Tween20封閉未連接生物識(shí)別分子的石墨烯）溶液沖洗干凈，N₂吹干，配制濃度為0，10，100，1000fg/mL的PSA，采用自主研發(fā)的便攜式檢測(cè)設(shè)備對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)條件為V_DS=1V，Vg=0.1V，測(cè)試結(jié)果見附圖7。

以上對(duì)本發(fā)明做了詳盡的描述，其目的在于讓熟悉此領(lǐng)域技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。