第 1 章 緒論

1.1 基于有機(jī)電化學(xué)晶體管的酶生物傳感器研究現(xiàn)狀

酶生物傳感器是一類非常重要的生物傳感器。1962 年，Clark 等人[1]提出了酶生物傳感器的原理，將電極與具有特異性的酶聯(lián)合實(shí)現(xiàn)檢測(cè)特定物質(zhì)。在隨后的幾十年里，酶生物傳感器引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注并得到了迅速發(fā)展。酶生物傳感器是以酶作為敏感生物元件，通過各種物理或化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，記錄目標(biāo)物與敏感元件之間反應(yīng)所產(chǎn)生的可測(cè)信號(hào)，這種可測(cè)信號(hào)與目標(biāo)物濃度具有比例關(guān)系，從而達(dá)到對(duì)分析物進(jìn)行定量檢測(cè)的目的。與其他類型的生物傳感器相比，酶生物傳感器是將酶直接結(jié)合在金屬或半導(dǎo)體電極的表面，使其固化成膜，形成識(shí)別元件、接收元件與換能元件于一體的結(jié)構(gòu)，并具有體積小、靈敏度高、選擇性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。

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1.2 酶生物傳感器電極納米材料修飾

為了提高酶生物傳感器的檢測(cè)性能，比較常見的方法是利用納米材料對(duì)電極進(jìn)行修飾，這也是提高基于 OECT的酶生物傳感器檢測(cè)性能的一個(gè)重要途徑。納米材料作為 20 世紀(jì)最為重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，極大地推動(dòng)了科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，也改善了人們的生活。納米材料具有許多特殊的性能，具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)及介電限域效應(yīng)等五大效應(yīng)。由于這些特點(diǎn)，納米材料呈現(xiàn)出許多奇異的物理﹑化學(xué)性能，在很多領(lǐng)域都得到了重要的應(yīng)用和快速的發(fā)展。利用納米材料的小尺寸效應(yīng)和高比表面積等特性，在柵電極上修飾后對(duì)OECT 的電化學(xué)性能有著顯著提高，尤其是基于 OECT 的酶生物傳感器的檢測(cè)性能得到很大提高。

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第 2 章 OECT的器件制備與表征

2.1 引言

基于 OECT 的生物化學(xué)傳感器因其具有高的靈敏度、容易制備、成本低、工作電壓低(<1 V)、可制備成柔性器件及在水性環(huán)境下能穩(wěn)定工作等優(yōu)點(diǎn)，在近幾年來受到了廣泛的關(guān)注[74-76]。OECT 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由三個(gè)電極(包括源極、漏極、柵極)、有機(jī)半導(dǎo)體活性層、襯底、電解質(zhì)等部分組成。有機(jī)活性層覆蓋于源極和漏極之上，當(dāng)施加一個(gè)柵電壓后，電解液中的離子會(huì)摻雜到有機(jī)活性層中，使得有機(jī)活性層中的載流子濃度發(fā)生改變，從而引起溝道電流發(fā)生變化。所以 OECT 器件的溝道電流會(huì)受到柵電壓的調(diào)控作用。OECT 一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)是能夠在水性環(huán)境下穩(wěn)定工作，且工作電壓一般小于 1 V，因此在生物化學(xué)傳感器領(lǐng)域中得到重要應(yīng)用[77, 78]。本章主要是對(duì) OECT 器件的制備及其表征進(jìn)行相關(guān)研究，OECT 器件制備的主要過程為熱蒸發(fā)沉積電極、旋涂有機(jī)半導(dǎo)體層、氮?dú)夥諊嘶?。表征主要分為表面形貌表征以及電化學(xué)性能表征，通過 AFM 對(duì)其表面平整度進(jìn)行表征，通過測(cè)試 OECT器件的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線等表征其電學(xué)性能。

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2.2 實(shí)驗(yàn)部分

(1)試劑聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)，購于 Sigma-Aldrich 公司;磷酸鹽緩沖液 (PBS)，購于賽默飛世爾科技公司;二甲基亞砜(DMSO)。(2)儀器手套箱高真空熱蒸鍍儀(NEXDEP，加拿大 AE 公司 );氧等離子體清洗設(shè)備(Harrick Plasma PDC-32G-2);旋涂?jī)x(KW-4A，中國科學(xué)院微電子研究所);原子力顯微鏡(AFM，Bruker 公司)等;半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀(Keithley 4200)。在 PEDOT:PSS 溶液中添加 5%的二甲基亞砜(DMSO)，并攪拌均勻以增加其導(dǎo)電性。將配制好的 PEDOT:PSS 溶液在旋涂?jī)x上進(jìn)行 500 rpm/6 s、3500 rpm/40 s 的旋涂處理，在器件表面形成一層 PEDOT:PSS 薄膜。將不需要覆蓋 PEDOT:PSS 薄膜的部分去除，只留下覆蓋溝道的部分。最后在氮?dú)夥諊?180 C 退火 1小時(shí)，使 PEDOT:PSS膜更加牢固的附著在電極表面，從而制備得到 OECT 器件。

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第 3 章 基于 OECT的肌氨酸傳感器...................20

3.1 引言............... 20

3.2 實(shí)驗(yàn)部分............... 20

第 4 章 基于 OECT的無創(chuàng)唾液血糖試紙及血糖儀................46

4.1 引言...............46

4.2 實(shí)驗(yàn)部分...............46

第 4 章 基于 OECT的無創(chuàng)唾液血糖試紙及血糖儀

4.1 引言

隨著生活水平的日益提高，糖尿病已經(jīng)成為嚴(yán)重影響人類身體健康的一大威脅，上升為世界性的第三大疾病[64]。在中國，隨著人口老齡化以及肥胖發(fā)生率的增加，糖尿病的患病率呈逐年上升趨勢(shì)，因此對(duì)糖尿病的預(yù)防及治療具有重要意義。糖尿病預(yù)防及治療的一個(gè)重要途徑是檢測(cè)并控制血糖濃度，為了有效監(jiān)控糖尿病患者的血糖濃度，家庭便攜式血糖儀得到了普及，為患者監(jiān)測(cè)血糖提供了便利的途徑。目前市場(chǎng)上常用的血糖儀需要采集血液，不僅給患者造成一定的創(chuàng)傷，還會(huì)有病毒通過血液交叉感染等危險(xiǎn)。因此，開發(fā)新型無創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)具有非常重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是未來血糖檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

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4.2 實(shí)驗(yàn)部分

磷酸鹽緩沖液 (PBS)購于賽默飛世爾科技公司;葡萄糖(Glucose，C6H12O6，AR)購于上海凌峰化學(xué)試劑有限公司;葡萄糖氧化酶(GOx，Glucose Oxidase，10 KU)購于 Sigma-Aldrich公司。真空磁控濺射設(shè)備;手套箱高真空熱蒸鍍儀(NEXDEP，加拿大 AE 公司);氧等離子體清洗設(shè)備(Harrick Plasma PDC-32G-2);旋涂?jī)x(KW-4A，中國科學(xué)院微電子研究所);半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀(Keithley 4200，Keithley公司)等。以基于 OECT 的葡萄糖傳感器為原理設(shè)計(jì)并制備無創(chuàng)唾液血糖試紙。為了優(yōu)化試紙的檢測(cè)性能，設(shè)計(jì)了不同的電極結(jié)構(gòu)與尺寸，同時(shí)設(shè)計(jì)并制備了鈀金、銀、碳、鉑等四種不同電極材質(zhì)的試紙，其中鈀金電極試紙是通過噴墨打印技術(shù)制備，銀和碳電極試紙是通過絲網(wǎng)印刷制備，鉑電極試紙是通過磁控濺射工藝制備。通過不斷改進(jìn)試紙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝，最終得到性能優(yōu)異的血糖試紙。

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結(jié)論

本論文主要以基于 OECT 的酶生物傳感器展開研究，內(nèi)容包括優(yōu)化 OECT 的器件制備工藝、利用 OECT 肌氨酸傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)肌氨酸的高靈敏檢測(cè)、基于 OECT 的無創(chuàng)唾液血糖試紙及血糖儀的應(yīng)用研究初步探索等，主要結(jié)論如下：(1)優(yōu)化了 OECT 的器件制備工藝。結(jié)果表明，器件在 PBS 溶液中可以穩(wěn)定工作，且溝道電流可調(diào)范圍大于 1 個(gè)數(shù)量級(jí)(VGS<1 V)，有利于其應(yīng)用于酶生物傳感器。當(dāng)VGS大于或等于 0.7 V 時(shí)，IDS達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)時(shí)間較短，所需時(shí)間為 20 s 左右，說明器件能夠快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。