基于石墨烯晶體管的多巴胺檢測微流控芯片*

朱紅偉， 王 昊， 張中衛， 王國東， 張 影, 石 峰

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

0 引 言

多巴胺是一種重要的兒茶酚胺類神經系統遞質，在人類運動及情緒調節等多種大腦生理功能中扮演著重要角色[1～3]。人體內多巴胺正常濃度在1～100 nmol/L，對人體的新陳代謝、心血管、中樞神經、腎功能及內分泌系統等方面具有不可替代的作用[2～3]。在人體內，多巴胺的含量異常會引起兒童多動癥、精神分裂癥[4～5]，老年人缺少多巴胺會產生帕金森癥和老年癡呆癥等多種精神疾病。對多巴胺進行檢測和定量分析，在相關疾病的預防、診斷和治療的過程中具有重要意義[2]。

常見的多巴胺檢測方法有液相色譜法、氣相色譜/質譜法、基于微孔板的ELISA法和電化學方法等，這些方法豐富了多巴胺的檢測手段，但同時面臨著樣品需求量大、操作復雜、儀器昂貴等問題。近年來，采用場效應晶體管的方法對多巴胺進行傳感開始受到大家的關注，場效應管具有響應時間短[3]、靈敏度高、加工簡單和價格低廉[4]等優點。Tang H等人[5]將利用有機場效應晶體管檢測到了5 nmol/L濃度的多巴胺，有效地提高了檢測靈敏度。但目前，采用場效應管的方法對多巴胺進行檢測大部分都是在敞開的環境下進行[6]，沒有做到集成化和一體化，這使得檢測結果容易受到外界環境的干擾，噪聲大，實驗的重現性低，靈敏度不夠，限制了這種方法的廣泛使用。如果將場效應晶體管集成在微流控芯片中進行多巴胺檢測，可以有效地避免外界環境的干擾，提高檢測的靈敏度和穩定性。同時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]和集成度高等優點[8～12]，以微流控芯片作為多巴胺檢測的反應場所，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效應晶體管集成在微流控芯片中，對多巴胺溶液進行檢測，有效地提高了檢測的靈敏度，并降低了樣品的消耗量。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

多巴胺鹽酸鹽(Sigma)；氯金酸(上海國藥基團)；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)；有機玻璃PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，Microchem)；Graphene/Cu樣品(合肥科晶材料技術有限公司)；半導體精密測試儀Alginent41；去離子水；磷酸緩沖鹽溶液PBS；載玻片。

1.2 芯片設計

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)構成，如圖1所示。微流通道寬0.4 mm,高0.05 mm，長2 mm。利用打孔器在PDMS微流通道內加工出樣品進口、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石墨烯表面，利用石墨烯對溶液樣品進行檢測。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膜在沒有光刻膠的區域保留下來，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)石墨烯制備和轉移

由于石墨烯是利用化學氣相沉積的方法在銅箔表面生長而成[9]，故記作Graphene/Cu。需要將銅箔上轉移到載玻片基底上面作為晶體管的導電通道，具體過程如下[10]：首先利用甩膠機在樣品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 %的氯化鐵溶液中進行銅的腐蝕，這個過程需要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。最后在高純氮氣箱中將樣品在160 ℃的加熱臺上熱烘2h以上，待其冷卻，取出樣品，對石墨烯的質量進行拉曼光譜表征。

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(旋涂時間16s)的轉速旋涂在硅片表面，將掩膜版蓋在光刻膠表面，經過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3 h，揭下PDMS，進行打孔，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

實驗過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多巴胺溶液進行檢測。在檢測過程中，使用自動注射泵對待測溶液進行進樣，進樣完畢后，靜置5 min，利用半導體精密測試儀對石墨烯晶體管的轉移特性進行測試。

2 結果與討論

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，樣品石墨烯是質量較高的單層石墨烯結構。幾乎沒有1 350 cm-1的缺陷峰，說明樣品石墨烯結晶程度很高[13～16]。且樣品石墨烯有兩個非常突出的峰值[15]：在1 590 cm-1的G峰和2 710 cm-1的2D峰[16]，說明本樣品是單層石墨烯，質量很高[14,15]。

2.2 采用Ag/AgCl檢測多巴胺

采用Ag/AgCl電極作為晶體管的柵極對多巴胺檢測結果如圖4所示。可以看出，該芯片可以檢測到10 nmol/L濃度的多巴胺。隨著多巴胺溶液濃度的增加，石墨烯場效應管的狄拉克點在慢慢左移，在PBS緩沖液中，石墨烯晶體管的狄拉克點是0.1 V；在100 nmol/L的多巴胺溶液中，狄拉克點的位置是0.085 V；隨著多巴胺濃度的繼續升高，晶體管狄拉克點持續向左偏移，在100 μmol/L的多巴胺溶液中，石墨烯晶體管的狄拉克點在0.05 V。這可能是因為多巴胺對石墨烯具有電子摻雜的作用。據報道，多巴胺作為氮源對碳納米管具有電子摻雜的作用[17]。而氮摻雜作用對石墨烯同樣有電子摻雜的作用，會對石墨烯的電子能帶結構產生重要影響[14]。從圖4中同樣可以看出，石墨烯狄拉克點右側的電子導電曲線斜率不斷增大，它的電子導電特性在不斷地增強。這同樣說明多巴胺會影響石墨烯的導電特性，對石墨烯具有電子摻雜的作用。

圖4 石墨烯場效應管(G-FET)檢測多巴胺結果

2.3 石墨烯表面電子轉移過程的理論分析

多巴胺會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，從而實現多巴胺對石墨烯的電子摻雜作用。其具體過程如圖5(a)所示，反應方程式如下[17]

2H++2e-(graphene)

(1)

石墨烯作為氧化劑從多巴胺獲取電子，電子數量增加，使石墨烯的費米能級向上彎曲。而多巴胺作為還原劑，在反應過程中會失去電子，電子數量下降，其電子能級會向下彎曲。同時，在整個過程中，也存在著逆過程。

Marcus-Gerischer理論[16]從電子能態密度(density of state,DOS)的角度，合理地解釋了這種可逆的氧化還原反應。在氧化還原反應中，對于其中的一個電子轉移過程：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。具體電子轉移過程如圖5(b)所示，(b1)為石墨烯電子能態密度圖：(b2)為Marcus-Gerischer理論中氧化還原電子對的能態密度。其中的箭頭表示電子遷移的方向。

圖5 多巴胺—石墨烯反應電子轉移過程與多巴胺失去電子過程示意

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

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

(2)

式中λ為電子轉移理論的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Dred(氧化態Dox)的電子濃度與多巴胺(多巴胺醌)的濃度有關系[18,19]。其平均能級比石墨烯的本征能級(Ei)高，電子能夠從dopamine/o-dopamine quinone氧化還原對的被占滿的能級中遷移出來到石墨烯中沒有被電子占據的能級上[19]。這種電子遷移會使石墨烯的本征能級逐漸升高，而氧化還原對的電子能級不斷降低，直到石墨烯的能級和氧化還原電子對的能級相等，達到平衡狀態，能級結構不再變化[20]。而多巴胺的濃度越高，氧化還原對的電子能級就越高，電子遷移過程越明顯，從而使更多的電子流向石墨烯表面，對石墨烯的電子摻雜越明顯，使得石墨烯費米能級升高，狄拉克點向左偏移[15]。因此，隨著多巴胺濃度的逐漸增加，會有更多的電子從氧化還原體系中的多巴胺流動到石墨烯，填充石墨烯的空帶[14]，狄拉克點不斷往左偏移，并且偏移幅度隨著濃度的增加而增大。同時，由于多巴胺對石墨烯的電子摻雜作用，使石墨烯的電子導電特性不斷增強，其電子導電支斜率不斷增大。整個電子轉移過程符合Marcus-Gerischer理論。

2.4 采用鉑作為晶體管柵極檢測多巴胺

采用鉑絲作為G-FET的柵極對多巴胺溶液檢測結果如圖6所示。從圖中可以看出，該器件可以檢測到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在0.575 V；而在1 nmol/L多巴胺溶液中，狄拉克點轉移到了0.505 V，向左偏移了20 mV，效果非常明顯。并且在進行一次測量過程中，僅需要幾個微升(μL)的多巴胺溶液量。相對于常規電化學檢測方法，大大減少了樣品消耗量，同時靈敏度有明顯提高。這是由于鉑電極對多巴胺的氧化反應具有催化作用，加速了石墨烯和多巴胺之間的反應進程，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，對多巴胺進行檢測

本文統計了石墨烯場效應管狄拉克點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，狄拉克點的向左偏移幅度近似于線性變化。而當多巴胺溶液濃度很高(如10 μmol/L和100 μmol/L)時，石墨烯的狄拉克點的偏移幅度開始變小。這可能是因為在高濃度多巴胺溶液中，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偏移幅度減小[22]。

圖7 G-FET的狄拉克點隨多巴胺濃度變化統計

3 結 論

本文采用微機電加工的方法，設計并制備了一種集成液體柵極石墨烯場效應管的微流控芯片，在芯片內部進行多巴胺檢測，檢測到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。并且該芯片具有穩定性好、便攜式、操作簡便、速度快和樣品消耗量少等優點，未來可能應用于多巴胺類疾病的預防檢測和臨床醫療等方面。此外，整個芯片加工過程采用成熟的微機電加工技術，有利于降低成本，進行批量化生產，具有非常廣闊的應用前景。