石墨烯场效应晶体管型汞离子适体传感器

郭智勇，贾芸芳

（南开大学电子信息与光学工程学院，天津300350）

0 引言

适体是一种由SELEX技术人工合成的单链寡核苷酸[1-2]，从适体的发明以来，将适体与各种类型的传感器相结合的研究十分活跃[3-4]。与此同时，石墨烯场效应晶体管（graphene field effect transistor,GFET）作为新一代生物化学传感器，在生化样本的无标记快速检测方向具有巨大的潜力[5]，其中适体探针与GFET相结合用于竞争亲和力测试，在临床检测上显示出较好应用价值[6]。该文以丝网印刷技术制备了基于聚对苯二甲酸乙二醇酯 (Polyethylene terephthalate，PET)柔性衬底的GFET，采用汞离子的适体探针对石墨烯表面进行功能化处理，测试了GFET输出电流与被测溶液中汞离子浓度之间的关系。丝网印刷技术是一种适于工业化批量生产的工艺技术，该文所提出的基于丝网印刷技术的GFET型汞离子适体传感器制备方法，对于研发全固态、可抛弃型新型生化传感器具有较好的实际意义。

1 实验部分

1.1 丝网印刷GFET

使用丝网印刷机LC-400P在PET衬底上制备GFET，每张PET衬底上GFET排列为4×9阵列，即一批次可印制36个GFET器件。GFET印制过程共使用了五层网版，分别如图1所示。实验步骤为：（1）使用对准标记网版（B）在PET的四个角上制作十字标记，其它网版固定过程中对准十字标记，以保证最终器件线路连通完好，同时印制了每个石墨烯场效应管的压焊点位置；（2）使用电极层网版（D），印制GFET的源极（Source）和漏极（Drain），电极宽度 2 mm；（3）使用导线层网版（C）印制源极和漏极与外接压焊点之间的导线，导线宽度 1.5 mm，导线材料为 Ag；（4）使用石墨烯层网版印制GFET的石墨烯沟道；（5）使用绝缘保护层网版 （A），将绝缘油墨印制在GFET表面。

图1 用于丝网印刷GFET的网版图形，分别用于印制（A）绝缘保护层，（B）对准标记，（C）导线层，（D）电极层，（E）石墨烯层Fig.1 Screen printing plate of screen printing GFET

1.2 实验材料与设备

GFET制备使用导电碳浆，导电银浆，绝缘油墨等如表1所示。采用改进Hummers法制备了羧基化石墨烯，涂敷在GFET中导电沟道区域。

表1 丝网印刷GFET材料与设备Tab.1 materials and equipment for screen printing GFET

适配体探针由 （生工生物工程上海有限公司）合成，其碱基序列为：5’-NH2-(CH2)6-TTCTTTCTTTCCCCCTTTGTTTGTTTGTT-3’。其中氨基（NH2）用于与羧基化石墨烯中的羧基（-COOH）发生共价键结合，以实现汞离子适体探针对GFET栅极表面的功能化。

1.3 测试方法

将取汞离子适体功能化的GFET分别浸入含有汞离子的被测溶液中，Pt电极插入被测溶液，并置于GFET栅极表面，构成溶液栅GFET测试体系。采用安捷伦B2923A精密电源/测试单元作为测试仪器，将Pt电极与其CH2相连，GFET的漏极与其CH1相连，GFET的源极接地。

通过调节CH2的电压控制溶液栅GFET的栅压Vgs，通过调节CH2电压可设置源漏电压Vds，输出信号为漏极电流（Id）。在相同工作条件下，采集汞离子浓度不同的被测溶液中GFET的输出电流Id。

为减少不同器件之间的差异，采用归一化方法。取14个汞离子适体功能化GFET，首先，在不含有汞离子的缓冲液中测得输出电流Id，记为IdBi（i=1,2,......,14）；然后，将其分别浸入不同汞离子浓度 （0.1 nmol/L，0.2 nmol/L，0.3 nmol/L，0.4 nmol/L，0.5 nmol/L，0.6 nmol/L，0.7 nmol/L，0.8 nmol/L，0.9 nmol/L，1.0 nmol/L，2 nmol/L，3 nmol/L，4 nmol/L，5 nmol/L）的溶液中，测得输出电流IdHgi（i=1,2,......,14）；最后，计算归一化Id，归一化方法为：

2 结果与讨论

2.1 GFET转移特性曲线

图2为未功能化GFET的转移特性曲线，在-0.3 V至-0.5 V左右曲线出现拐点，表明该文的GFET具有双极型，符合石墨烯器件的特性。当Vgs为负时，石墨烯中感应出正电荷，主要载流子为空穴；当Vgs变正时，石墨烯中产生电子以平衡电场，主要载流子为电子；而拐点为电中性点，此时石墨烯显电中性，载流子浓度最小，电阻率最大，因此Id最小。

图2 GFET转移输出特性曲线Fig.2 Transfer output characteristic curve of GFET

2.2 汞离子响应

图3为工作条件Vds=-0.3V，Vgs归一化Id与汞离子浓度间的关系曲线，实验结果显示该器件适于低浓度汞离子检测，在0.1~1 nmol/L汞离子浓度范围内响应特性程近线性分布 （r2=0.8708），高于1 nmol/L时呈现饱和趋势。

图3 汞离子响应特性曲线Fig.3 Response characteristic curve of mercury ion

在低浓度区域出现汞离子浓度增加Id减小的原因在于，汞离子使适体探针的单链结构发生变化，形成发卡结构，使得碱基序列上负电荷与GFET栅极表面接触，导致有效Vgs负向偏移，根据图2的GFET转移特性曲线，Vgs负向移动Id降低。

3 结论

采用丝网印刷技术在PET柔性基板上制备的GFET，与汞离子适体探针相结合，实现低于1 nmol/L缓冲液环境中汞离子的检测，该GFET型汞离子适体传感器在0.1~1 nmol/L范围内具有一定的线性响应特性，线性相关系数r2为0.8708。该文所提出的丝网印刷GFET型适体传感器还可开发为其它重金属传感器，该方法适于批量生产、成本低廉，特别适于作为快检系统的传感器探头使用。

[1]Tuerk C,Gold L.Systematic ligands by exponential RNA to T4DNA ligands bacteriophage polymerase[J].Science,1990,249（4968）:505-510.

[2]Ellington A D,Szostak J W.In vitro selection of RNA molecules that bind specific ligands[J].Nature,1990,346(6287):818-822.

[3]Lu M,Xu L,Zhang X,et al.Ag (I)-coordinated hairpin DNA for homogenous electronic monitoring of hepatitis C virus accompanying isothermal cycling signal amplification strategy[J].Biosensors and Bioelectronics,2015,73:195-201.

[4]Gopinath S C B,Lakshmipriya T,Chen Y,et al.Aptamer-based ‘point-of-care testing’[J].Biotechnology advances,2016,34(3):198-208.

[5]Geim A K.Graphene:status and prospects[J].science,2009,324(5934):1530-1534.

[6]Wang C,Kim J,Zhu Y,et al.An aptameric graphene nanosensor for label-free detection of small-molecule biomarkers[J].Biosensors and Bioelectronics,2015,71:222-229.