基于石墨烯晶體管的多巴胺檢測(cè)微流控芯片*

朱紅偉， 王 昊， 張中衛(wèi)， 王國(guó)東， 張 影, 石 峰

(1.河南理工大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,河南 焦作 454000；2河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

多巴胺是一種重要的兒茶酚胺類神經(jīng)系統(tǒng)遞質(zhì)，在人類運(yùn)動(dòng)及情緒調(diào)節(jié)等多種大腦生理功能中扮演著重要角色[1～3]。人體內(nèi)多巴胺正常濃度在1～100 nmol/L，對(duì)人體的新陳代謝、心血管、中樞神經(jīng)、腎功能及內(nèi)分泌系統(tǒng)等方面具有不可替代的作用[2～3]。在人體內(nèi)，多巴胺的含量異常會(huì)引起兒童多動(dòng)癥、精神分裂癥[4～5]，老年人缺少多巴胺會(huì)產(chǎn)生帕金森癥和老年癡呆癥等多種精神疾病。對(duì)多巴胺進(jìn)行檢測(cè)和定量分析，在相關(guān)疾病的預(yù)防、診斷和治療的過(guò)程中具有重要意義[2]。

常見(jiàn)的多巴胺檢測(cè)方法有液相色譜法、氣相色譜/質(zhì)譜法、基于微孔板的ELISA法和電化學(xué)方法等，這些方法豐富了多巴胺的檢測(cè)手段，但同時(shí)面臨著樣品需求量大、操作復(fù)雜、儀器昂貴等問(wèn)題。近年來(lái)，采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法對(duì)多巴胺進(jìn)行傳感開(kāi)始受到大家的關(guān)注，場(chǎng)效應(yīng)管具有響應(yīng)時(shí)間短[3]、靈敏度高、加工簡(jiǎn)單和價(jià)格低廉[4]等優(yōu)點(diǎn)。Tang H等人[5]將利用有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管檢測(cè)到了5 nmol/L濃度的多巴胺，有效地提高了檢測(cè)靈敏度。但目前，采用場(chǎng)效應(yīng)管的方法對(duì)多巴胺進(jìn)行檢測(cè)大部分都是在敞開(kāi)的環(huán)境下進(jìn)行[6]，沒(méi)有做到集成化和一體化，這使得檢測(cè)結(jié)果容易受到外界環(huán)境的干擾，噪聲大，實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性低，靈敏度不夠，限制了這種方法的廣泛使用。如果將場(chǎng)效應(yīng)晶體管集成在微流控芯片中進(jìn)行多巴胺檢測(cè)，可以有效地避免外界環(huán)境的干擾，提高檢測(cè)的靈敏度和穩(wěn)定性。同時(shí)由于微流控芯片體積小[6]、重量輕、樣品消耗量少[7]、具有易于攜帶[6]和集成度高等優(yōu)點(diǎn)[8～12]，以微流控芯片作為多巴胺檢測(cè)的反應(yīng)場(chǎng)所，能夠大大降低多巴胺樣品的消耗量，降低成本[8]。

本文利用軟光刻的方法制備微流通道，采用lift-off的工藝制備晶體管的微電極，將液體柵極的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管集成在微流控芯片中，對(duì)多巴胺溶液進(jìn)行檢測(cè)，有效地提高了檢測(cè)的靈敏度，并降低了樣品的消耗量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

多巴胺鹽酸鹽(Sigma)；氯金酸(上海國(guó)藥基團(tuán))；聚二甲基硅氧烷(PDMS， RTV615，GEToshiba Silocons Co.Ltd.)；硅片(Luoyang Single Crystal Silicon Co.,China.)；光刻膠(SU8—2050，Microchem)；有機(jī)玻璃PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，Microchem)；Graphene/Cu樣品(合肥科晶材料技術(shù)有限公司)；半導(dǎo)體精密測(cè)試儀Alginent41；去離子水；磷酸緩沖鹽溶液PBS；載玻片。

1.2 芯片設(shè)計(jì)

微流控芯片主要由一片PDMS微流通道片(30 mm×10 mm×3 mm)和一片晶體管電極載玻片(45 mm×25 mm×2 mm)構(gòu)成，如圖1所示。微流通道寬0.4 mm,高0.05 mm，長(zhǎng)2 mm。利用打孔器在PDMS微流通道內(nèi)加工出樣品進(jìn)口、出口和金屬絲電極插入口，插入金屬絲電極，作為晶體管的柵極。電極載玻片表面上有兩條金屬薄膜電極(寬0.4 mm)，兩薄膜電極之間距離是0.6 mm。在兩個(gè)電極之間放置石墨烯樣品(1 mm×0.4 mm)，使PDMS的微流通道中的樣品恰好流過(guò)石墨烯表面，利用石墨烯對(duì)溶液樣品進(jìn)行檢測(cè)。圖中S(D)代表晶體管的源極(漏極)Cr/Au電極，Gate代表晶體管柵極。襯底(substrate)是玻璃。

圖1 微流控芯片

1.3 芯片制作

1)電極制備

首先使用Lift-off工藝制備晶體管的源極和漏極。具體過(guò)程如圖2所示。使用光刻膠AZ5214作為犧牲層，在基底上光刻出圖形，采用磁控濺射的方法制備Cr/Au電極，作為晶體管的漏極和源極。然后，將樣品浸沒(méi)在丙酮中，溶解掉光刻膠連同光刻膠表面的金屬電極，而Cr/Au膜在沒(méi)有光刻膠的區(qū)域保留下來(lái)，留作電極，得到電極載玻片。

圖2 晶體管源極和漏極制備流程

2)石墨烯制備和轉(zhuǎn)移

由于石墨烯是利用化學(xué)氣相沉積的方法在銅箔表面生長(zhǎng)而成[9]，故記作Graphene/Cu。需要將銅箔上轉(zhuǎn)移到載玻片基底上面作為晶體管的導(dǎo)電通道，具體過(guò)程如下[10]：首先利用甩膠機(jī)在樣品Graphene/Cu上旋涂一層聚甲基丙烯酸甲脂(poly methyl meth acrylate,PMMA)后;在80 ℃的烘臺(tái)上加熱0.5 h左右，待其冷卻可以得到樣品PMMA/Graphene/Cu，接著將此樣品放入2 %的氯化鐵溶液中進(jìn)行銅的腐蝕，這個(gè)過(guò)程需要2～3 h；待腐蝕掉銅箔，得到樣品PMMA/Graphene。用電極載玻片將PMMA/Graphene從水中撈起，并使PMMA/Graphene位置恰好在兩電極之間。晾干固定后,將整個(gè)樣品泡在丙酮里，將PMMA溶解，就在載玻片的表面上得到了石墨烯樣品。最后在高純氮?dú)庀渲袑悠吩?60 ℃的加熱臺(tái)上熱烘2h以上，待其冷卻，取出樣品，對(duì)石墨烯的質(zhì)量進(jìn)行拉曼光譜表征。

3)微流通道制備和芯片鍵合

微流芯片的通道是通過(guò)軟光刻的方法制備的。首先，將光刻膠SU8—2050以2 500 r/min(旋涂時(shí)間16s)的轉(zhuǎn)速旋涂在硅片表面，將掩膜版蓋在光刻膠表面，經(jīng)過(guò)曝光后顯影即可得到具有光刻膠圖形的硅片模板。然后，將混合好的聚二甲基硅氧烷PDMS的前驅(qū)體A和B以10︰1的比例混合均勻后，再澆筑在具有光刻膠圖形的硅片表面，熱烘75 ℃持續(xù)3 h，揭下PDMS，進(jìn)行打孔，并金屬絲插入PDMS微流通道中作為石墨烯晶體管的柵極。

用氧等離子體分別處理PDMS表面和晶體管載玻片表面，進(jìn)行接觸鍵合，就得到了集成有石墨烯晶體管的微流控芯片。最后將芯片放置在75 ℃烘箱中熱烘3天后就可以使用了。

4)多巴胺檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中制備了兩種集成石墨烯晶體管的微流控芯片。第一種芯片采用Ag/AgCl絲作為石墨烯晶體管的柵極，第二種芯片使用鉑絲作為晶體管的柵極。使用這兩種芯片分別對(duì)多巴胺溶液進(jìn)行檢測(cè)。在檢測(cè)過(guò)程中，使用自動(dòng)注射泵對(duì)待測(cè)溶液進(jìn)行進(jìn)樣，進(jìn)樣完畢后，靜置5 min，利用半導(dǎo)體精密測(cè)試儀對(duì)石墨烯晶體管的轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯表征

圖3為石墨烯樣品的拉曼光譜示意，從中可以看出，樣品石墨烯是質(zhì)量較高的單層石墨烯結(jié)構(gòu)。幾乎沒(méi)有1 350 cm-1的缺陷峰，說(shuō)明樣品石墨烯結(jié)晶程度很高[13～16]。且樣品石墨烯有兩個(gè)非常突出的峰值[15]：在1 590 cm-1的G峰和2 710 cm-1的2D峰[16]，說(shuō)明本樣品是單層石墨烯，質(zhì)量很高[14,15]。

2.2 采用Ag/AgCl檢測(cè)多巴胺

采用Ag/AgCl電極作為晶體管的柵極對(duì)多巴胺檢測(cè)結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，該芯片可以檢測(cè)到10 nmol/L濃度的多巴胺。隨著多巴胺溶液濃度的增加，石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管的狄拉克點(diǎn)在慢慢左移，在PBS緩沖液中，石墨烯晶體管的狄拉克點(diǎn)是0.1 V；在100 nmol/L的多巴胺溶液中，狄拉克點(diǎn)的位置是0.085 V；隨著多巴胺濃度的繼續(xù)升高，晶體管狄拉克點(diǎn)持續(xù)向左偏移，在100 μmol/L的多巴胺溶液中，石墨烯晶體管的狄拉克點(diǎn)在0.05 V。這可能是因?yàn)槎喟桶穼?duì)石墨烯具有電子摻雜的作用。據(jù)報(bào)道，多巴胺作為氮源對(duì)碳納米管具有電子摻雜的作用[17]。而氮摻雜作用對(duì)石墨烯同樣有電子摻雜的作用，會(huì)對(duì)石墨烯的電子能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響[14]。從圖4中同樣可以看出，石墨烯狄拉克點(diǎn)右側(cè)的電子導(dǎo)電曲線斜率不斷增大，它的電子導(dǎo)電特性在不斷地增強(qiáng)。這同樣說(shuō)明多巴胺會(huì)影響石墨烯的導(dǎo)電特性，對(duì)石墨烯具有電子摻雜的作用。

圖4 石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管(G-FET)檢測(cè)多巴胺結(jié)果

2.3 石墨烯表面電子轉(zhuǎn)移過(guò)程的理論分析

多巴胺會(huì)在石墨烯表面失去電子被氧化成多巴胺醌(o-dopaminequinone)[14]，石墨烯能夠從多巴胺獲取電子，從而實(shí)現(xiàn)多巴胺對(duì)石墨烯的電子摻雜作用。其具體過(guò)程如圖5(a)所示，反應(yīng)方程式如下[17]

2H++2e-(graphene)

(1)

石墨烯作為氧化劑從多巴胺獲取電子，電子數(shù)量增加，使石墨烯的費(fèi)米能級(jí)向上彎曲。而多巴胺作為還原劑，在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)失去電子，電子數(shù)量下降，其電子能級(jí)會(huì)向下彎曲。同時(shí)，在整個(gè)過(guò)程中，也存在著逆過(guò)程。

Marcus-Gerischer理論[16]從電子能態(tài)密度(density of state,DOS)的角度，合理地解釋了這種可逆的氧化還原反應(yīng)。在氧化還原反應(yīng)中，對(duì)于其中的一個(gè)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程：氧化劑(oxide)+電子(e-)?還原劑(reduction)。在式中，還原劑失去電子，可以看作是電子施主[17]；而氧化劑得到電子，可以看作是電子受主。具體電子轉(zhuǎn)移過(guò)程如圖5(b)所示，(b1)為石墨烯電子能態(tài)密度圖：(b2)為Marcus-Gerischer理論中氧化還原電子對(duì)的能態(tài)密度。其中的箭頭表示電子遷移的方向。

圖5 多巴胺—石墨烯反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程與多巴胺失去電子過(guò)程示意

圖中Dox(empty)是能級(jí)未被電子占據(jù)的氧化態(tài)，有可以容納電子的空位，而Dred(occupied)是能級(jí)被電子占據(jù)的還原態(tài)[17]，沒(méi)有電子的空位；Eox(red)是電子的平均能級(jí)。在氧化還原電子對(duì)[17]中，電子的能級(jí)分布函數(shù)wox(red)(E)

wox(red)(E)=w0exp[-(E-Eox(red))2/(4kBTλ)]

(2)

式中λ為電子轉(zhuǎn)移理論的reorganization energy(重組能)，w0=(4kBTλ)-1/2是歸一化因子。而Eox=Eredox+λ,Ered=Eredox-λ。還原態(tài)Dred(氧化態(tài)Dox)的電子濃度與多巴胺(多巴胺醌)的濃度有關(guān)系[18,19]。其平均能級(jí)比石墨烯的本征能級(jí)(Ei)高，電子能夠從dopamine/o-dopamine quinone氧化還原對(duì)的被占滿的能級(jí)中遷移出來(lái)到石墨烯中沒(méi)有被電子占據(jù)的能級(jí)上[19]。這種電子遷移會(huì)使石墨烯的本征能級(jí)逐漸升高，而氧化還原對(duì)的電子能級(jí)不斷降低，直到石墨烯的能級(jí)和氧化還原電子對(duì)的能級(jí)相等，達(dá)到平衡狀態(tài)，能級(jí)結(jié)構(gòu)不再變化[20]。而多巴胺的濃度越高，氧化還原對(duì)的電子能級(jí)就越高，電子遷移過(guò)程越明顯，從而使更多的電子流向石墨烯表面，對(duì)石墨烯的電子摻雜越明顯，使得石墨烯費(fèi)米能級(jí)升高，狄拉克點(diǎn)向左偏移[15]。因此，隨著多巴胺濃度的逐漸增加，會(huì)有更多的電子從氧化還原體系中的多巴胺流動(dòng)到石墨烯，填充石墨烯的空帶[14]，狄拉克點(diǎn)不斷往左偏移，并且偏移幅度隨著濃度的增加而增大。同時(shí)，由于多巴胺對(duì)石墨烯的電子摻雜作用，使石墨烯的電子導(dǎo)電特性不斷增強(qiáng)，其電子導(dǎo)電支斜率不斷增大。整個(gè)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程符合Marcus-Gerischer理論。

2.4 采用鉑作為晶體管柵極檢測(cè)多巴胺

采用鉑絲作為G-FET的柵極對(duì)多巴胺溶液檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，該器件可以檢測(cè)到1 nmol/L濃度的多巴胺溶液。在PBS溶液中，石墨烯晶體管的狄拉克點(diǎn)在0.575 V；而在1 nmol/L多巴胺溶液中，狄拉克點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了0.505 V，向左偏移了20 mV，效果非常明顯。并且在進(jìn)行一次測(cè)量過(guò)程中，僅需要幾個(gè)微升(μL)的多巴胺溶液量。相對(duì)于常規(guī)電化學(xué)檢測(cè)方法，大大減少了樣品消耗量，同時(shí)靈敏度有明顯提高。這是由于鉑電極對(duì)多巴胺的氧化反應(yīng)具有催化作用，加速了石墨烯和多巴胺之間的反應(yīng)進(jìn)程，使器件的靈敏度得到明顯提高。

圖6 采用鉑作為G-FET柵極時(shí)，對(duì)多巴胺進(jìn)行檢測(cè)

本文統(tǒng)計(jì)了石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管狄拉克點(diǎn)隨多巴胺濃度變化的偏移情況，繪制出圖7。從圖7中可以看出，多巴胺溶液在10 nmol/L～10 μmol/L時(shí)，狄拉克點(diǎn)的向左偏移幅度近似于線性變化。而當(dāng)多巴胺溶液濃度很高(如10 μmol/L和100 μmol/L)時(shí)，石墨烯的狄拉克點(diǎn)的偏移幅度開(kāi)始變小。這可能是因?yàn)樵诟邼舛榷喟桶啡芤褐?，石墨烯表面電子濃度近乎飽和[21]，能帶彎曲微小，石墨烯晶體管的狄拉克點(diǎn)偏移幅度減小[22]。

圖7 G-FET的狄拉克點(diǎn)隨多巴胺濃度變化統(tǒng)計(jì)

3 結(jié) 論

本文采用微機(jī)電加工的方法，設(shè)計(jì)并制備了一種集成液體柵極石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管的微流控芯片，在芯片內(nèi)部進(jìn)行多巴胺檢測(cè)，檢測(cè)到1 nmol/L濃度的多巴胺溶液，有效地降低了樣品的消耗量，提高了靈敏度高。并且該芯片具有穩(wěn)定性好、便攜式、操作簡(jiǎn)便、速度快和樣品消耗量少等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)可能應(yīng)用于多巴胺類疾病的預(yù)防檢測(cè)和臨床醫(yī)療等方面。此外，整個(gè)芯片加工過(guò)程采用成熟的微機(jī)電加工技術(shù)，有利于降低成本，進(jìn)行批量化生產(chǎn)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。