基于石墨烯晶体管的多巴胺检测微流控芯片*

朱红伟， 王 昊， 张中卫， 王国东， 张 影, 石 峰

(1.河南理工大学 物理与电子信息学院,河南 焦作 454000；2河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

多巴胺是一种重要的儿茶酚胺类神经系统递质，在人类运动及情绪调节等多种大脑生理功能中扮演着重要角色[1～3]。人体内多巴胺正常浓度在1～100 nmol/L，对人体的新陈代谢、心血管、中枢神经、肾功能及内分泌系统等方面具有不可替代的作用[2～3]。在人体内，多巴胺的含量异常会引起儿童多动症、精神分裂症[4～5]，老年人缺少多巴胺会产生帕金森症和老年痴呆症等多种精神疾病。对多巴胺进行检测和定量分析，在相关疾病的预防、诊断和治疗的过程中具有重要意义[2]。

常见的多巴胺检测方法有液相色谱法、气相色谱/质谱法、基于微孔板的ELISA法和电化学方法等，这些方法丰富了多巴胺的检测手段，但同时面临着样品需求量大、操作复杂、仪器昂贵等问题。近年来，采用场效应晶体管的方法对多巴胺进行传感开始受到大家的关注，场效应管具有响应时间短[3]、灵敏度高、加工简单和价格低廉[4]等优点。Tang H等人[5]将利用有机场效应晶体管检测到了5 nmol/L浓度的多巴胺，有效地提高了检测灵敏度。但目前，采用场效应管的方法对多巴胺进行检测大部分都是在敞开的环境下进行[6]，没有做到集成化和一体化，这使得检测结果容易受到外界环境的干扰，噪声大，实验的重现性低，灵敏度不够，限制了这种方法的广泛使用。如果将场效应晶体管集成在微流控芯片中进行多巴胺检测，可以有效地避免外界环境的干扰，提高检测的灵敏度和稳定性。同时由于微流控芯片体积小[6]、重量轻、样品消耗量少[7]、具有易于携带[6]和集成度高等优点[8～12]，以微流控芯片作为多巴胺检测的反应场所，能够大大降低多巴胺样品的消耗量，降低成本[8]。

本文利用软光刻的方法制备微流通道，采用lift-off的工艺制备晶体管的微电极，将液体栅极的石墨烯场效应晶体管集成在微流控芯片中，对多巴胺溶液进行检测，有效地提高了检测的灵敏度，并降低了样品的消耗量。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

多巴胺盐酸盐(Sigma)；氯金酸(上海国药基团)；聚二甲基硅氧烷(PDMS， RTV615，GEToshiba Silocons Co.Ltd.)；硅片(Luoyang Single Crystal Silicon Co.,China.)；光刻胶(SU8—2050，Microchem)；有机玻璃PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，Microchem)；Graphene/Cu样品(合肥科晶材料技术有限公司)；半导体精密测试仪Alginent41；去离子水；磷酸缓冲盐溶液PBS；载玻片。

1.2 芯片设计

微流控芯片主要由一片PDMS微流通道片(30 mm×10 mm×3 mm)和一片晶体管电极载玻片(45 mm×25 mm×2 mm)构成，如图1所示。微流通道宽0.4 mm,高0.05 mm，长2 mm。利用打孔器在PDMS微流通道内加工出样品进口、出口和金属丝电极插入口，插入金属丝电极，作为晶体管的栅极。电极载玻片表面上有两条金属薄膜电极(宽0.4 mm)，两薄膜电极之间距离是0.6 mm。在两个电极之间放置石墨烯样品(1 mm×0.4 mm)，使PDMS的微流通道中的样品恰好流过石墨烯表面，利用石墨烯对溶液样品进行检测。图中S(D)代表晶体管的源极(漏极)Cr/Au电极，Gate代表晶体管栅极。衬底(substrate)是玻璃。

图1 微流控芯片

1.3 芯片制作

1)电极制备

首先使用Lift-off工艺制备晶体管的源极和漏极。具体过程如图2所示。使用光刻胶AZ5214作为牺牲层，在基底上光刻出图形，采用磁控溅射的方法制备Cr/Au电极，作为晶体管的漏极和源极。然后，将样品浸没在丙酮中，溶解掉光刻胶连同光刻胶表面的金属电极，而Cr/Au膜在没有光刻胶的区域保留下来，留作电极，得到电极载玻片。

图2 晶体管源极和漏极制备流程

2)石墨烯制备和转移

由于石墨烯是利用化学气相沉积的方法在铜箔表面生长而成[9]，故记作Graphene/Cu。需要将铜箔上转移到载玻片基底上面作为晶体管的导电通道，具体过程如下[10]：首先利用甩胶机在样品Graphene/Cu上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲脂(poly methyl meth acrylate,PMMA)后;在80 ℃的烘台上加热0.5 h左右，待其冷却可以得到样品PMMA/Graphene/Cu，接着将此样品放入2 %的氯化铁溶液中进行铜的腐蚀，这个过程需要2～3 h；待腐蚀掉铜箔，得到样品PMMA/Graphene。用电极载玻片将PMMA/Graphene从水中捞起，并使PMMA/Graphene位置恰好在两电极之间。晾干固定后,将整个样品泡在丙酮里，将PMMA溶解，就在载玻片的表面上得到了石墨烯样品。最后在高纯氮气箱中将样品在160 ℃的加热台上热烘2h以上，待其冷却，取出样品，对石墨烯的质量进行拉曼光谱表征。

3)微流通道制备和芯片键合

微流芯片的通道是通过软光刻的方法制备的。首先，将光刻胶SU8—2050以2 500 r/min(旋涂时间16s)的转速旋涂在硅片表面，将掩膜版盖在光刻胶表面，经过曝光后显影即可得到具有光刻胶图形的硅片模板。然后，将混合好的聚二甲基硅氧烷PDMS的前驱体A和B以10︰1的比例混合均匀后，再浇筑在具有光刻胶图形的硅片表面，热烘75 ℃持续3 h，揭下PDMS，进行打孔，并金属丝插入PDMS微流通道中作为石墨烯晶体管的栅极。

用氧等离子体分别处理PDMS表面和晶体管载玻片表面，进行接触键合，就得到了集成有石墨烯晶体管的微流控芯片。最后将芯片放置在75 ℃烘箱中热烘3天后就可以使用了。

4)多巴胺检测

实验过程中制备了两种集成石墨烯晶体管的微流控芯片。第一种芯片采用Ag/AgCl丝作为石墨烯晶体管的栅极，第二种芯片使用铂丝作为晶体管的栅极。使用这两种芯片分别对多巴胺溶液进行检测。在检测过程中，使用自动注射泵对待测溶液进行进样，进样完毕后，静置5 min，利用半导体精密测试仪对石墨烯晶体管的转移特性进行测试。

2 结果与讨论

2.1 石墨烯表征

图3为石墨烯样品的拉曼光谱示意，从中可以看出，样品石墨烯是质量较高的单层石墨烯结构。几乎没有1 350 cm-1的缺陷峰，说明样品石墨烯结晶程度很高[13～16]。且样品石墨烯有两个非常突出的峰值[15]：在1 590 cm-1的G峰和2 710 cm-1的2D峰[16]，说明本样品是单层石墨烯，质量很高[14,15]。

2.2 采用Ag/AgCl检测多巴胺

采用Ag/AgCl电极作为晶体管的栅极对多巴胺检测结果如图4所示。可以看出，该芯片可以检测到10 nmol/L浓度的多巴胺。随着多巴胺溶液浓度的增加，石墨烯场效应管的狄拉克点在慢慢左移，在PBS缓冲液中，石墨烯晶体管的狄拉克点是0.1 V；在100 nmol/L的多巴胺溶液中，狄拉克点的位置是0.085 V；随着多巴胺浓度的继续升高，晶体管狄拉克点持续向左偏移，在100 μmol/L的多巴胺溶液中，石墨烯晶体管的狄拉克点在0.05 V。这可能是因为多巴胺对石墨烯具有电子掺杂的作用。据报道，多巴胺作为氮源对碳纳米管具有电子掺杂的作用[17]。而氮掺杂作用对石墨烯同样有电子掺杂的作用，会对石墨烯的电子能带结构产生重要影响[14]。从图4中同样可以看出，石墨烯狄拉克点右侧的电子导电曲线斜率不断增大，它的电子导电特性在不断地增强。这同样说明多巴胺会影响石墨烯的导电特性，对石墨烯具有电子掺杂的作用。

图4 石墨烯场效应管(G-FET)检测多巴胺结果

2.3 石墨烯表面电子转移过程的理论分析

多巴胺会在石墨烯表面失去电子被氧化成多巴胺醌(o-dopaminequinone)[14]，石墨烯能够从多巴胺获取电子，从而实现多巴胺对石墨烯的电子掺杂作用。其具体过程如图5(a)所示，反应方程式如下[17]

2H++2e-(graphene)

(1)

石墨烯作为氧化剂从多巴胺获取电子，电子数量增加，使石墨烯的费米能级向上弯曲。而多巴胺作为还原剂，在反应过程中会失去电子，电子数量下降，其电子能级会向下弯曲。同时，在整个过程中，也存在着逆过程。

Marcus-Gerischer理论[16]从电子能态密度(density of state,DOS)的角度，合理地解释了这种可逆的氧化还原反应。在氧化还原反应中，对于其中的一个电子转移过程：氧化剂(oxide)+电子(e-)↔还原剂(reduction)。在式中，还原剂失去电子，可以看作是电子施主[17]；而氧化剂得到电子，可以看作是电子受主。具体电子转移过程如图5(b)所示，(b1)为石墨烯电子能态密度图：(b2)为Marcus-Gerischer理论中氧化还原电子对的能态密度。其中的箭头表示电子迁移的方向。

图5 多巴胺—石墨烯反应电子转移过程与多巴胺失去电子过程示意

图中Dox(empty)是能级未被电子占据的氧化态，有可以容纳电子的空位，而Dred(occupied)是能级被电子占据的还原态[17]，没有电子的空位；Eox(red)是电子的平均能级。在氧化还原电子对[17]中，电子的能级分布函数wox(red)(E)

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

(2)

式中λ为电子转移理论的reorganization energy(重组能)，w0=(4kBTλ)-1/2是归一化因子。而Eox=Eredox+λ,Ered=Eredox-λ。还原态Dred(氧化态Dox)的电子浓度与多巴胺(多巴胺醌)的浓度有关系[18,19]。其平均能级比石墨烯的本征能级(Ei)高，电子能够从dopamine/o-dopamine quinone氧化还原对的被占满的能级中迁移出来到石墨烯中没有被电子占据的能级上[19]。这种电子迁移会使石墨烯的本征能级逐渐升高，而氧化还原对的电子能级不断降低，直到石墨烯的能级和氧化还原电子对的能级相等，达到平衡状态，能级结构不再变化[20]。而多巴胺的浓度越高，氧化还原对的电子能级就越高，电子迁移过程越明显，从而使更多的电子流向石墨烯表面，对石墨烯的电子掺杂越明显，使得石墨烯费米能级升高，狄拉克点向左偏移[15]。因此，随着多巴胺浓度的逐渐增加，会有更多的电子从氧化还原体系中的多巴胺流动到石墨烯，填充石墨烯的空带[14]，狄拉克点不断往左偏移，并且偏移幅度随着浓度的增加而增大。同时，由于多巴胺对石墨烯的电子掺杂作用，使石墨烯的电子导电特性不断增强，其电子导电支斜率不断增大。整个电子转移过程符合Marcus-Gerischer理论。

2.4 采用铂作为晶体管栅极检测多巴胺

采用铂丝作为G-FET的栅极对多巴胺溶液检测结果如图6所示。从图中可以看出，该器件可以检测到1 nmol/L浓度的多巴胺溶液。在PBS溶液中，石墨烯晶体管的狄拉克点在0.575 V；而在1 nmol/L多巴胺溶液中，狄拉克点转移到了0.505 V，向左偏移了20 mV，效果非常明显。并且在进行一次测量过程中，仅需要几个微升(μL)的多巴胺溶液量。相对于常规电化学检测方法，大大减少了样品消耗量，同时灵敏度有明显提高。这是由于铂电极对多巴胺的氧化反应具有催化作用，加速了石墨烯和多巴胺之间的反应进程，使器件的灵敏度得到明显提高。

图6 采用铂作为G-FET栅极时，对多巴胺进行检测

本文统计了石墨烯场效应管狄拉克点随多巴胺浓度变化的偏移情况，绘制出图7。从图7中可以看出，多巴胺溶液在10 nmol/L～10 μmol/L时，狄拉克点的向左偏移幅度近似于线性变化。而当多巴胺溶液浓度很高(如10 μmol/L和100 μmol/L)时，石墨烯的狄拉克点的偏移幅度开始变小。这可能是因为在高浓度多巴胺溶液中，石墨烯表面电子浓度近乎饱和[21]，能带弯曲微小，石墨烯晶体管的狄拉克点偏移幅度减小[22]。

图7 G-FET的狄拉克点随多巴胺浓度变化统计

3 结 论

本文采用微机电加工的方法，设计并制备了一种集成液体栅极石墨烯场效应管的微流控芯片，在芯片内部进行多巴胺检测，检测到1 nmol/L浓度的多巴胺溶液，有效地降低了样品的消耗量，提高了灵敏度高。并且该芯片具有稳定性好、便携式、操作简便、速度快和样品消耗量少等优点，未来可能应用于多巴胺类疾病的预防检测和临床医疗等方面。此外，整个芯片加工过程采用成熟的微机电加工技术，有利于降低成本，进行批量化生产，具有非常广阔的应用前景。