[发明专利]一种基于层状碳纳米片的酒精水凝胶传感设备及其方法

权利要求书

1.一种基于层状碳纳米片的酒精水凝胶传感设备，其特征在于：包括电解质栅控石墨烯晶体管和水凝胶(7)，所述电解质栅控石墨烯晶体管固定安装于水凝胶(7)中；

所述电解质栅控石墨烯晶体管包括玻璃基底(4)、三个金属电极、单层石墨烯(5)和层状碳纳米片(6)，三个金属电极分别为源极(1)、漏极(2)和栅极(3)，三个金属电极均沉积在玻璃基底(4)上，所述单层石墨烯(5)设置于源极(1)和漏极(2)之间的石墨烯沟道上，所述层状碳纳米片(6)修饰于栅极(3)上，所述层状碳纳米片(6)为小球藻衍生的层状碳纳米片(6)；

所述水凝胶(7)由乙醇氧化酶和聚丙烯酰胺聚合制成；

所述电解质栅控石墨烯晶体管采用防水胶封装，所述电解质栅控石墨烯晶体管半嵌入水凝胶(7)中，所述单层石墨烯(5)和层状碳纳米片(6)全嵌入水凝胶(7)中，该基于层状碳纳米片的酒精水凝胶传感设备在检测酒精吹气时通过测量沟道电流实时响应曲线判断酒精气体浓度：在固定源极(1)电压和栅极(3)电压的条件下测定沟道电流随时间的变化，等到通道电流基本不发生变化时，以此电流值为初始电流，然后开始向水凝胶(7)中吹气，呼气引起的电流变化值对应酒精气体浓度。

2.根据权利要求1所述的一种基于层状碳纳米片的酒精水凝胶传感设备，其特征在于：该设备通过Labview软件控制的两个Keithley数字源表2400进行实时电流监测。

3.根据权利要求1所述的一种基于层状碳纳米片的酒精水凝胶传感设备，其特征在于：所述电解质栅控石墨烯晶体管应用在溶液体系中化合物的电化学检测，用电解质溶液与石墨烯沟道和栅极(3)接触，通过栅极(3)电压来调控沟道电流的变化。

4.根据权利要求1所述的一种基于层状碳纳米片的酒精水凝胶传感设备，其特征在于：三个金属电极为图案化电极，该图案化电极包括金层和铬层，所述金层覆盖于铬层外表面。

5.一种如权利要求1-4任意一项所述的基于层状碳纳米片的酒精水凝胶传感设备的制备 方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、基底的制作：采用玻璃片作为玻璃基底(4)，将玻璃基底(4)超声清洗；

S2、图案化电极的制作：用氮气将玻璃基底(4)吹干后，用胶带将其固定在掩膜板上，利用磁控溅射在玻璃基底(4)沉积上图案化的铬/金电极，先沉积铬层，再沉积金层；

S3、单层石墨烯(5)的制备：采用CH₄和H₂的混合气体通过化学气相沉积合成单层石墨烯(5)，并用Cu箔作催化底物，再将聚甲基丙烯酸甲酯薄膜旋涂在石墨烯上，然后浸入刻蚀溶液中以刻蚀Cu基底并用蒸馏水洗涤若干次；

S4、石墨烯的转移：使用湿法转移的方法在水中将石墨烯转移到图案化基底的源极(1)与漏极(2)之间，退火处理，再将退火后的基底放入丙酮中浸泡后，更换新的丙酮后重新浸泡，重复多次；

S5、器件的封装：将连接源极(1)、漏极(2)和栅极(3)的金属线用防水的硅氧烷层进行保护；

S6、将合成的层状碳纳米片(6)修饰在栅极(3)的裸金电极上，干燥后，将丙烯酰胺溶液、乙醇氧化酶溶液和磷酸缓冲盐溶液加入到容器中并均匀搅拌，接着将凝胶在N,N,N',N'-四甲基二胺和过硫酸铵下聚合，并将电解质栅控石墨烯晶体管和吹气管半嵌入凝胶中，获得所述水凝胶传感设备，整个过程在冰上进行，并将水凝胶传感设备冷藏以备后用。

6.根据权利要求5所述的一种基于层状碳纳米片的酒精水凝胶传感设备的制备方法，其特征在于：步骤S1中，玻璃基底(4)依次用丙酮、乙醇、去离子水进行超声清洗。

7.根据权利要求5所述的一种基于层状碳纳米片的酒精水凝胶传感设备的制备方法，其特征在于：步骤S3中，在石墨烯上采用两步法旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，先是慢速，再是快速，使PMMA在石墨烯上旋涂的更加均匀。

8.根据权利要求5所述的一种基于层状碳纳米片的酒精水凝胶传感设备的制备方法，其特征在于：步骤S3中，刻蚀溶液包括CuSO₄、HCl、H₂O，且CuSO₄：HCl：H₂O＝10g：50mL：50mL。