[发明专利]基于石墨烯FET场效应晶体管的传感器及氨氮离子检测系统

说明书

本发明提出一种基于石墨烯FET场效应晶体管的传感器，其包括衬底层、石墨烯层、金属电极和识别探针分子，所述识别探针分子，包括：芘、苝或蒽描定基团、用于氨氮离子相连的活性酯。该微纳加工器件将有机生物探针和石墨烯相结合，对待测样品具有超灵敏度，可以用于快速准确的测定氨氮度。

技术领域

本发明涉及检测技术领域，具体涉及一种基于石墨烯FET场效应晶体管的传感器及氨氮离子检测系统。

背景技术

2019年全球氨产量达到2.35亿吨，主要由高压高温下的高纯度氢气和氮气通过哈伯-博世工艺生产。该过程不仅需要大量的能源消耗来产生H₂，而且还会排放大量的温室气体。在这方面，电催化N₂还原为氨(NH₃)等以温和、绿色的方法生产NH₃引起了全世界的关注。同时，在绿色生产和设计新的工艺来操纵合成的途径、并观察生产过程变得十分重要。另一方面，氨氮作为一种重要的无碳能源载体，是许多生物过程中的主要成分之一，在许多生物和工业过程的氮循环过程中起着重要作用。当然，溶液中检测氨氮的方法有很多，如：靛酚蓝法、纳氏试剂法、电极法、水杨酸比色法、离子色谱法等。其中纳氏试剂法和靛酚蓝法等比色法比较常用。然而，由于pH值和溶液中的金属离子以及硫化物、酮和醛类等干扰因素影响测量结果，而且一般灵敏度-1μM。虽然水杨酸比色法灵敏度较高，对氨氮具有特殊的敏感性和相关性，具有较高的准确度、精确度和灵敏度。但是由于试剂的毒性较大、检测时间长(≈2h)及以需要加热，不利于样品快速检测。因此准确、快速测定氨氮度是一项重大挑战。此外，特别是当产出的氨氮含量相当低时合成氨过程中引起的氨氮污染可能会导致比较大的结果误差。

电学检测以对样本检测操作简单、灵敏、快速等优点，在开发便携式实时分析方面具有显著的优势，被逐步应用于环境检测等领域。

石墨烯作为单层的二维材料，具有优异的电学特性和良好的生物相容性，在微纳电子生物化学传感器领域被广泛研究。虽然石墨烯具有优良的机械性能和热导率，但是有稳定苯环结构的石墨烯，它的化学稳定性高，表面呈现出一种惰性的状态。然而它没有毒性、生物兼容性很好，且芘基官能团的修饰可使石墨烯材料表面具有活性功能团，从而大幅度提高材料的化学和生物反应活性。因此，将有机生物探针和石墨烯相结合，制备复合材料FET生物传感器，对待测样品具有超灵敏度，可以用于快速准确的测定氨氮浓度。

本发明提供了一种基于石墨烯场效应晶体管的氨氮离子检测传感器及制备方法，通过将能够与氨氮离子特异性结合的生物探针修饰到传感器上，并检测待测样品输入所述传感器时所显示的待测样品与生物探针反应前后的电信号，从而快速检测出待测样品的定量信息。由于本发明提供的氨氮离子传感器的探针不被影响待测样品中的重金属离子和pH的干扰，因此能够对氨氮离子进行精确地检测。

发明内容

本发明的目的提供一种基于石墨烯FET场效应晶体管的传感器，将有机生物探针和石墨烯相结合，对待测样品具有超灵敏度，可以用于快速准确的测定氨氮度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于石墨烯FET场效应晶体管的传感器，其包括衬底层、石墨烯层、金属电极和识别探针分子，所述识别探针分子，包括：芘、苝或蒽描定基团、用于氨氮离子相连的活性酯。

其中，所述识别探针分子为如下之一：

其中，所述传感器还包括High-k介质层、石墨烯层，所述High-k介质层位于沉底层上，所述石墨烯层位于所述High-k介质层上，金属电极包括输入电极和输出电极，两者一一对应，镀在所述石墨烯层上，输入电极和输出电极通过石墨烯连接，在所述石墨烯层上修饰用于连接氨氮离子的识别探针分子。

本发明还提供上述传感器的制备方法，其包括：

第一步，采用原位生长法、化学气相沉积法生长或剥离的单层石墨烯通过湿法转移至包含High-k介质层的衬底材料表面，形成石墨烯/High-k介质层/衬底；