关键词:
电化学还原石墨烯场效应晶体管
乳酸
氧化镍
金纳米粒子
邻苯二胺
摘要:
人体中的生物小分子(如糖、乳酸、氨基酸等),在维持正常的生理活动中起着至关重要的作用,这些小分子不仅参与能量代谢、信号传递、细胞生长与修复等基本生物化学过程,而且它们的浓度水平能够间接反映人体的健康状况。即使在某些疾病还未表现出明显症状时,它们的微小变化也可能是疾病发展的信号。其中乳酸(LA)是细胞能量代谢的产物,其浓度的变化反映了细胞内氧化还原平衡的状态。因此,乳酸的定量监测不仅有助于了解细胞能量代谢情况,也能为疾病诊断和治疗评估提供生理学指标。此外,乳酸水平的异常升高与多种疾病相关,包括但不限于缺氧、感染、代谢性酸中毒以及某些器官功能障碍。因此,乳酸的定量检测在急性和慢性疾病的早期诊断、疾病的监测以及治疗效果评估上具有重要意义。乳酸传感器在实现实时监测和个体化医疗方面具有潜在价值。通过建立连续监测系统,医生和患者可以及时掌握乳酸浓度的动态变化,获取更全面的临床信息,进而制定更为有效的治疗方案,尤其在危重病患者管理中显得尤为关键。因此,乳酸传感器的制备及定量检测乳酸在促进疾病理解、提高诊断准确性、优化治疗方案等方面有着重要意义,有望为医学治疗提供有力的技术支持。
还原氧化石墨烯场效应晶体管(Reduced graphene oxide field effect transistor,简称rGO-FET)是一种灵敏高、可微型化且易集成的电子传感器件,具有优异的电子传输性能。相对于传统的生物传感器,制备rGO-FET的成本较低,且易于大规模制备,有望降低生物传感技术的成本,因此被广泛应用于化学、食品、环境、医疗等众多研究领域。为进一步提高rGO-FET的传感性能,通常在栅电极或者沟道上修饰具有优异性能的功能化材料,提高器件的生物识别能力和检测性能。本论文结合了纳米复合材料、分子印迹聚合物(Molecularly Imprinted Polymer,简称MIP)和场效应晶体管的优势,制备了检测汗液中乳酸的rGO-FET传感器。主要工作如下:
1、探究两种基底材料制备的rGO-FET器件的电学性能,分别使用了柔性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)金叉指电极和刚性的陶瓷Al2O3金叉指电极,作为晶体管器件的源漏电极,沟道材料为相同制备条件下的rGO,rGO是通过电化学还原制备的,氧化石墨烯(Graphene oxide,简称GO)为原料。测试了两种rGO-FET器件的电学性能,发现基底为Al2O3的金叉指电极制备的器件性能更稳定。其次,探究了不同物质的量G O对晶体管电学性能的影响,确定了最佳条件,滴涂体积为10μL的GO溶液,其浓度为0.5 mg/m L。另外,实验中还比较了rGO和单层石墨烯(Graphene)作为沟道材料的电学性能,结果显示,rGO的gm为1.67 m S,Graphene的gm为0.18 m S,表明该工艺下制备的rGO电学性能要优于Graphene。
2、以尿素(CH4N2O)、六水合硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)为溶质,纯水为溶剂,采用水热法制备了绿色的NiO前驱体。然后,在450℃下退火处理4 h得到黑色的NiO纳米材料。SEM表征和XRD图谱证明了NiO为球状的立方晶体结构。为了将该材料成功集成到传感器中,利用二甲基甲酰胺(DMF)将NiO纳米材料制备成浓度为5 mg/m L的溶液,取10μL滴涂在rGO构成的晶体管沟道上,将NiO的催化活性与rGO-FET的信号放大技术相结合,制备的NiO/rGO-FET传感器,在检测人工汗液中的LA时,展现出优异的传感性能,检测限为1 n M,检测范围为1 n M-10 m M。
3、采用电化学还原法、恒电位沉积法及电聚合法制备了rGO、AuNPs和MIP的复合材料MIP/Au NPs/rGO,将其用作晶体管的沟道材料制备了MIP/Au NPs/rGO-FET,MI P洗脱去除LA后得到的器件为E-MIP/Au NPs/rGO-FET。为提高传感器性能,优化了洗脱时间、吸附时间及功能单体与模板分子的比例。在最佳条件下制备的E-MIP/Au NPs/rGO-FET传感器对LA表现出的高度特异性识别能力,检测限可达0.01 n M,检测范围为0.01 n M-1 m M。