基于全石墨烯液体栅极晶体管的高性能多巴胺传感器

石墨烯是一种新兴的二维纳米材料,具有独特的单碳原子层结构。自2004年发现以来,石墨烯已被广泛应用于制备高性能光电器件,高频晶体管,传感器等。其中,具有优良化学稳定性、生物兼容性和高灵敏性的液体栅极石墨烯晶体管器件受到了人们的重视,此类器件由石墨烯充当沟道,电解质溶液充当沟道与栅电极之间的绝缘层,栅极电压通过石墨烯与电解质界面的双电层施加于石墨烯沟道起到调节电流的作用。液体栅极石墨烯晶体管可以直接应用于水相环境,已被用于开发各类生物、化学物质如离子、DNA、葡萄糖、细胞、细菌等的传感器。但目前液体栅极石墨烯晶体管传感器的检测原理大多数基于检测物与石墨烯沟道的相互作用,而基于栅电极的功能化的传感器还需要更加深入的开发和研究。 

香港理工大学应用物理系严锋教授及其课题组首次基于全石墨烯液体栅极晶体管制备了用于探测小分子神经递质多巴胺的高性能传感器,其检测限达到 1 nM,比传统的电化学检测方法提高了三个量级。该传感器中石墨烯不仅用作晶体管沟道材料而且也用于制备栅电极。 检测机制基于多巴胺在石墨烯栅电极上发生的电氧化反应,电氧化反应发生时晶体管有效栅电压和沟道电流的改变就能被探测到。同时传感器对于干扰物质葡萄糖、抗坏血酸和尿酸的选择性也很重要,研究团队在石墨烯栅电极上修饰了nafion薄膜,利用nafion膜在电解质溶液中的静电作用,极大的提高了传感器的选择性。干扰物质的响应比多巴胺要低3-4个量级。

这项工作开辟了通过功能化栅电极制备石墨烯液体栅极晶体管生物传感器的新思路。此外,由于该传感器主要由石墨烯制备而成,易于小型化,成本低廉,具有开发大规模集成、多功能阵列传感器的潜力。