[发明专利]一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器

说明书

本发明涉及一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器，包括栅极(4)、源极(5)和漏极(6)，所述栅极(4)为硅片，表面覆有氧化硅层(3)，所述氧化硅层(3)表面形成所述源极(5)和漏极(6)，所述源极(5)和漏极(6)通过石墨烯纳米片层(2)相连接，在所述石墨烯纳米片层(2)表面修饰苄基三乙基氯化铵作为探针层(1)。与现有技术相比，本发明对水中硝酸根的检测限低，选择性高，可实现瞬时响应，且成本低、化学稳定性好，可重复利用。

技术领域

本发明涉及一种化学传感器，尤其是涉及一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器。

背景技术

自然界中，硝酸根是溶解氮的主要存在形式，它也是造成水体富营养化的主要因素。随着人们与日俱增的环境关注与需求，水体富营养化污染指标的快速检测和实时监测已经成为时代发展的必然要求，而常规的硝酸根检测方法需消耗化学试剂，并且耗时较长，不适于对水体中的硝酸根进行实时、原位监测。

场效应晶体管(FET)传感器为半导体电阻型传感器，近年由于材料领域的飞速发展尤其是纳米材料的不断创新与突破，这种传感器得到了越来越广泛的关注和深入的研究，是一种十分有发展潜力的适用于快速检测的传感器类型。其结构基于场效应晶体管，通过半导体通道材料的合成和化学修饰，对被测物有选择性的物理或化学结合，引起通道材料半导体性质的变化，这种变化通常以通道材料电阻的变化为表现形式，从而定量被测物的含量。这类传感器的最大优势是高灵敏度(极低的检测下限)、快速响应(响应时间在秒数量级)、可以进行实时监测、小型化、电路简单等。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种石墨烯基场效应晶体管硝酸盐传感器，包括栅极、源极和漏极，所述栅极为硅片，表面覆有氧化硅层，所述氧化硅层表面形成所述源极和漏极，所述源极和漏极通过石墨烯纳米片层相连接，所述石墨烯纳米片层表面还布置有探针层。

优选的，所述氧化硅层厚度为300nm。

优选的，所述源极和漏极均为金电极，厚度为50nm。

优选的，所述源极和漏极通过叉指形貌交错形成叉指电极区域，所述叉指电极区域的宽度和间隙均为2μm。

优选的，所述石墨烯纳米片层沉积在叉指电极区域。

优选的，所述石墨烯纳米片层通过热还原氧化石墨烯法沉积得到。

优选的，石墨烯纳米片层的制备方法为：将浓度为0.0001mg/mL的氧化石墨烯水相分散液干燥后，置于400℃氩气氛围中，退火处理1小时。

优选的，所述探针层为苄基三乙基氯化铵通过化学修饰在石墨烯纳米片层表面。

优选的，所述探针层通过苄基三乙基氯化铵饱和溶液浸没的方式以π-π堆积作用修饰在石墨烯纳米片层表面。

优选的，所述苄基三乙基氯化铵饱和溶液浸没时间为12小时。

工作过程为：固定栅极电压，在源极和漏极间施加一个很小的偏压(0.1V)，通过外电路实时检测源极和漏极之间的电流。当含有硝酸根离子的待测溶液滴加至插指电极区域，硝酸根离子通过分子印迹效应与苄基三乙基氯化铵(TEBAC)相互结合，引起TEBAC发生电子云偏移，使石墨烯发生n型掺杂，从而引起石墨烯狄拉克点的变化，空穴浓度降低；外接电信号检测到与待测溶液的硝酸根离子浓度相对应的电信号变化，从而确定待测溶液的硝酸根离子浓度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明对水中硝酸根的检测限低，选择性高，可实现瞬时响应；

2、本发明成本低、化学稳定性好，可重复使用。