冠醚功能化的栅控石墨烯场效应晶体管的制备及对汞离子的检测

曹 磊，陈美君，袁 刚，常 钢，张修华，王升富，何汉平1，

（1.湖北大学省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室，2.化学化工学院，3.材料科学与工程学院,武汉 430062）

重金属污染已成为世界范围内的一个关键问题.重金属具有自然稳定性、生物毒性、活性、持久性、不可生物降解和生物积累等性质［1～3］，特别是Hg2+作为环境中的一种剧毒重金属，对人类健康构成严重威胁.汞通常以元素、无机和有机3种形态存在，汞及其衍生物作为重要的环境污染物，可通过食物链和大气向外界扩散，它们会长期存在于环境中.由于汞的急性毒性，即使是微量的汞也可能以不可逆转的方式对动物和人类造成极大的威胁［4～6］.因此，汞已被联合国环境规划署（UNEP）、联合国粮食及农业组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）列为优先污染物［7］.汞污染一直是人们关注的领域，例如1956年臭名昭著的水俣湾悲剧是历史上重大的汞中毒案例，工厂将含汞废水排入到水俣湾，使当地的生态造到严重的破坏，居民开始患上一种奇怪的神经紊乱症.Malik等［8］研究表明，水体中含高浓度的Hg2+将会带来持久的影响.世界卫生组织已规定饮用水中的Hg2+含量不得高于10 nmol/L［9］.因此，开发一种快速有效的检测Hg2+的方法非常重要.

目前，已开发大量检测Hg2+的方法，如原子吸收光谱（AAS）的检测限在μg/L范围内，原子荧光光谱法（AFS）［10］和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）［11］的检测限在ng/L范围内，非常灵敏.然而，这些方法成本高、耗时长、需要复杂的仪器.与这些技术相比，电化学方法为Hg2+的定量检测提供了简便、小型、低成本的策略，但是常见的电化学方法也存在一些限制，如选择性不高、干扰较大、检测过程复杂、检测限高和线性范围窄等［12，13］.虽然有些电化学传感器对汞离子有很低的检测限和选择性，但是这些方法中都引入了复杂的信号放大策略，检测的体系和过程比较复杂［14，15］.

场效应晶体管（FET）传感器在电解质体系中具有制备简单、成本低、灵活性好、操作电压低和小型化等优点.1970年，Bergeld［16，17］将普通半导体器件MOSFET去掉金属栅极，让绝缘体（SiO2）与溶液直接接触，测得电流与离子的浓度呈线性关系，这是最早开发的离子敏场效应晶体管（IFFET），兼有电化学和晶体管的双重特征.IFFET通常是将离子敏感聚合物涂于晶体管沟道，通过溶液和沟道之间产生电荷转移，形成界面电位，从而改变FET的电流，可应用于离子、核酸、蛋白质、酶和细胞等分析物的检测.溶液栅控场效应晶体管和IFFET非常类似，但它不仅可以利用分析物在器件沟道作用，还可以在栅极表面作用，通过它们的电荷转移或吸附触发沟道材料的载流子浓度改变，这使得该类传感器更为灵活，非常适合检测溶液环境中的物质.

二维碳材料石墨烯具有高导电性、高透明和极高的载流子迁移率，因此使用其作为沟道材料的溶液栅控场效应晶体管（SGGT）通常具有灵敏度高、稳定性好和检测范围宽等优点，该平台已被广泛用于生物传感器领域.目前，大多数溶液栅控石墨烯场效应晶体管主要通过分析物与沟道作用进行检测，导致沟道修饰变得复杂，同时会使石墨烯的质量下降，导致器件的性能不稳定.近年来，溶液栅控场效应晶体管可以通过功能化栅极来进行研究.栅电极界面处发生略微的改变即可被晶体管感应并输出直观的信号.这一发现有助于器件的简单化，同时传感器的灵敏度和稳定性得到进一步提高.栅极功能化石墨烯场效应晶体管现在已被用于分析物的选择性检测，如Wang等［18］制作了基于DNA的SGGT用于大米中As的检测；Fan等［19］将制作的碳量子点修饰栅电极表面用于Fe3+的检测；本研究组［20～22］利用石墨烯晶体管平台在核酸疾病标志物和亚硝酸离子等方面进行了研究.

冠醚［23，24］及其衍生物因配位体中杂原子种类、数目及空穴尺寸的不同，能选择性地络合碱金属、碱土金属以及一些中性分子，络合物以多种形式出现，如ML，ML2（三明治）或M2L3（多层三明治）络合物，或者其它更复杂的结构（M为金属离子，L为配体）.冠醚可以用于离子选择性电极、相转移催化剂、膜运输和核废料处理中.前文［25］合成了一种长波发射的荧光探针用于选择性识别汞离子，以共轭二氰基亚甲基-苯并吡喃衍生物为荧光团，二硫杂-二氧杂-氮杂冠醚作为Hg2+识别基团.研究表明，该探针对汞离子具有优良的选择性，主要是通过冠醚上S，N，O原子与汞络合，达到识别的目的.基于此，本文将该二硫杂-二氧杂-氮杂冠醚（1，4-二氧杂-7，13-二硫杂-10-氮杂-15-氮硫杂冠醚-5）用于修饰晶体管器件的栅极，提出冠醚栅极功能化的策略去捕获目标物汞离子，并结合石墨烯修饰的沟道，建立了一种栅极功能化的石墨烯SGGT传感器［22，26，27］.该石墨烯栅控晶体管传感器对汞离子的检出限低至1×10-12mol/L，并具有良好的线性.本研究为特异性检测汞离子提供了一种可行性高、快速灵敏的分析方法，为栅极功能化石墨烯晶体管的研究和应用提供了数据支撑.

1 实验部分

1.1 试剂与材料

铁氰化钾［K3Fe（CN）6］、三氯化铁（FeCl3·6H2O）、氯化钾（KCl）、盐酸（HCl）、硫酸铜（Cu2SO4·12H2O）、氯化铝（AlCl3·6H2O）、氯化钙（CaCl2）、氯化镁（MgCl2）、氯化钴（CoCl2）、氯化铅（PbCl2）、氯化钡（BaCl2）、氯化锌（ZnCl2）、氯化铬（CrCl2）、氯化镍（NiCl2·6H2O）、氯化锰（MnCl2）、氯化亚铁（FeCl2·4H2O）和氯化汞（HgCl2）均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司.以0.1 mmol/L PBS缓冲溶液（pH=7.4）作为电解液.单层石墨烯购自南京先丰纳米科技有限公司.实验中所用的溶液均由超纯水配制.

1.2 醛基末端氮硫杂冠醚的合成

参考文献［25］方法，称取5.0 g（苯基氮烷二基）二乙醇溶于10 mL CH2Cl2溶剂中，0℃下缓慢滴加7 mL PBr3溶液，反应20 h后，用K2CO3溶液将多余的PBr3中和，用CH2Cl2对化合物进行萃取，用无水Na2SO4干燥溶液，最后使用旋转蒸发仪除去溶剂得到粗产物，经柱色谱法纯化得棕色固体产物1（4.2 g，产率60%）.将1.6 mmol产物1和4.28 mmol Cs2CO3加入到200 mL干燥的THF中，混合均匀，30 min后缓慢向该溶液中滴加1.63 mmol 2，2-［乙烷1，2-二基双（氧基）］二乙醇硫，回流36 h后将混合液过滤并旋转蒸干溶剂.用硅胶柱色谱提纯得橙色黏稠状产物2（400 mg，产率75%）.向15 mL无水DMF中加入0.12 mL POCl3（1.2 mmol）反应20 min，加入产物2，在90℃氮气环境下反应3 h后将混合液冷却至室温，缓慢加入冰水，并用NaOH中和溶液.用EtOAc萃取产物，得到的有机相依次用饱和NaCl和水萃取，用无水Na2SO4干燥，最后用硅胶柱色谱纯化得到产物3（310 mg，95%）.合成路线及化合物的表征数据（核磁共振谱和质谱）见本文支持信息中图S1～S4.

1.3 冠醚修饰电极的制备

选用金电极（Φ=3 mm）作为SGGT的栅电极.首先，将电极超声5 min，初步清洗表面杂质，使表面杂质更易被去除；随后，用Al2O3粉末对电极抛光8 min，再依次用水、乙醇及水超声清洗5 min，消除通过化学键或者吸附作用在电极表面的化合物和杂质；最后，将电极浸入0.5 mol/L H2SO4的电解液中，在-0.3～1.5 V范围内以0.1 V/s的扫描速率进行电化学清洗及活化.将处理后的金电极置于0.1 mol/L巯基乙胺溶液中，室温下浸泡12 h，在电极表面修饰上一层巯基乙胺分子膜，然后将电极用水及DMSO依次冲洗后，放入100 mmol/L醛基末端氮硫杂冠醚溶液中浸泡12 h，而后将电极置于50 mmol/L氰基硼氢化钠溶液中进行30 min的还原反应，制得冠醚功能化的栅电极，于4℃保存备用.

1.4 SGGT沟道的制备

首先，将规格为1 mm×1 mm×0.7 mm的玻璃基片用丙酮、乙醇和水依次超声清洗30 min，然后用氢氟酸刻蚀1 min，超声清洗后用氮气吹干.将处理好的玻璃片放置于掩膜板中，使用热蒸发蒸镀仪在基底上制作含有厚度为5 nm Cr层和70 nm Au层的源漏电极.采用湿法转移的方法将石墨烯转移到晶体管沟道，静置晾干后，在100℃下退火20 min，再将基片依次在丙酮溶液中浸泡3，5和10 min，以去除石墨烯表面的PMMA等有机物.浸泡结束后，立即用丙酮和乙醇、超纯水清洗基片.最后，将基片置于95℃的加热台上加热10 min.SGGT石墨烯沟道制备完成，保存备用，具体步骤见本文支持信息中图S5.

1.5 电化学表征和SGGT的性能测试

采用三电极体系（SCE为参比电极，Pt为对电极，Au为工作电极/栅电极）在CHI 660E电化学工作站上对裸电极和修饰电极进行循环伏安法和电化学阻抗法测量.在0.1 mol/L PBS缓冲液（含0.1 mol/L KCl）中通过循环伏安法（扫描速率100 mV/s，测试范围0.1～0.6 V）对栅电极的修饰进行不同阶段的电化学特性表征.电化学阻抗法是在2 mmol/L K3［Fe（CN）6］+2 mmol/L K4［Fe（CN）6］溶液中（扫描速率50 mV/s，测试频率0.1 Hz～100 kHz）对栅电极的修饰进行表征.

在测试SGGT传感器性能之前，首先将晶体管器件浸泡在去离子水中30 min，去除表面的杂质，然后用显微镜观察沟道表面，保持每次测试前晶体管沟道表面无明显污染物.使用10 mL 0.1 mmol/L PBS缓冲溶液作为电解质溶液，两台单通道的Keithley 2450数字源表和定制的LabVIEW程序作为检测平台，其组装结构见图S6（见本文支持信息）.SGGT传感器的性能可根据转移曲线和输出曲线进行表征.对转移曲线（IDS-VGS），沟道电流与栅压的关系测定是在固定源漏电压（VDS=0.05 V），步距为0.01 V/s下，栅极电压从0～1 V进行连续扫描；对输出特性曲线（IDS-VDS）的测定是在栅极电压为定值，步距为0.01 V/s下，沟道电压从0～0.25 V进行扫描.

2 结果与讨论

2.1 石墨烯晶体管的表征

Fig.1 Raman spectrum(A)and SEM image(B)of the transferred graphene,transfer characteristics of the SGGT sensor measured in 0.1 mmol/L PBS solution(C)and transfer curve repeated 120 times for the SGGT device(D)

采用拉曼光谱对转移后的石墨烯沟道材料进行了表征，从图1（A）可观察到石墨烯的2D和G两个主要特征峰［28］，同时在1300 cm-1（D带）附近没有缺陷诱发峰，表明转移的石墨烯表面比较干净.强度比（I2D/IG）约为2.15，与无缺陷单层石墨烯的强度比一致［29］，因此推测该石墨烯具有单层性质以及较好的质量.此外，还采用SEM表征了石墨烯的形貌.图1（B）和图S7（见本文支持信息）所示结果表明，晶体管沟道处的石墨烯具有完整的结构及良好的连续性.

进一步测试了栅控石墨烯晶体管传感器（裸金电极作为栅极）在PBS缓冲液中的转移曲线图（IDS-VGS）、跨导曲线图（gm=∂IDS/∂VGS）和输出曲线图.如图1（C）所示，转移曲线表明沟道电流随栅压的变化而变化，展示了典型的双极性性能，跨导可达0.59 mS，跨导值越大代表栅压对沟道电流具有较好的调控能力.沟道电流随栅压增大而减小的区域主要以空穴导电，而沟道电流随栅压增大而增大的区域主要以电子导电.对石墨烯晶体管器件重复测试了120次转移曲线［图1（D）］，发现120次的转移曲线基本吻合，第1次转移曲线与第120次转移曲线的狄拉克点变化值仅为0.0077 mV，变化率为0.0018%，表明该器件在偏压下非常稳定.在图S8（见本文支持信息）的输出曲线中，在固定栅压和一定的沟道电压范围内，沟道电流与沟道电压存在一定的线性关系；同时，在固定的沟道电压下，电流随栅压增加而增加，这与转移曲线n型区域的沟道电流变化趋势是一致.

2.2 冠醚修饰栅电极的表征

如图2（A）所示，以金电极作为栅极，首先自组装一层巯基乙胺到电极表面，再通过冠醚末端的醛基与氨基进行缩合还原反应，得到冠醚功能化的栅极.以冠醚修饰栅电极作为工作电极，在0.1 mol/L PBS缓冲溶液（含0.1 mol/L KCl）中进行循环伏安法测试.图2（B）曲线a—c分别为裸金电极、巯基乙胺单层膜修饰电极和修饰冠醚修饰电极的循环伏安曲线.比较这些曲线发现，逐层修饰后峰电流呈减小趋势.同时测量了表征功能化修饰的阻抗变化，结果如图2（C）所示.通常阻抗图（EIS）在高频处呈现出清晰的半圆，半圆的直径反映了界面电荷转移电阻（R），其半圆直径越大表明电极表面电子传递阻力越大.对于巯基乙胺和冠醚依次修饰后的电极，其阻抗与裸金电极相比分别增加了约260和470Ω.这些数据表明冠醚已修饰到栅电极上.

Fig.2 Schematic diagram of the crown ether⁃functionalized gate(A);CV of the bare Au gate(a),cysteamine⁃modified gate(b)and crown ether⁃modified gate(c)(B);EIS of the bare Au gate(a),cysteamine⁃modified gate(b)and crown ether⁃modified gate(c)(C);the side view of experimental device(D)and the transfer curves of the bare Au gate(a),cysteamine⁃modified gate(b)and crown ether⁃modified gate(c)(E)

进一步以冠醚修饰电极作为栅极，构建了石墨烯晶体管传感器，并对栅极层层修饰进行了转移曲线的研究，图2（D）示出了冠醚修饰栅极的石墨烯晶体管器件的侧视图.由于对栅极进行了层层修饰，其表面修饰物结构不同，栅电极与沟道的电位差也不同，导致狄拉克点的偏移.如图2（E）所示，固定沟道电压VDS为0.05 V，栅极电压范围设置为0～1 V，扫描速率设置为0.01 V/s，进行了晶体管转移曲线的表征.结果表明，以裸金电极作为栅极时，狄拉克点位置在0.465 V附近，当在电极表面修饰了一层巯基乙胺分子层后，狄拉克点左移到0.350 V附近，继续修饰一层冠醚分子后狄拉克点又向左移动到0.329 V.以上结果进一步说明传感器组装成功.

2.3 冠醚功能化栅极的SGGT晶体管传感器的可行性和原理

当使用该SGGT分析检测Hg2+时，晶体管器件的狄拉克点会发生变化，因此可以根据狄拉克点的变化对Hg2+进行定性及定量测量.将冠醚功能化栅电极浸泡在HgCl2水溶液中，用其捕获Hg2+.该SGGT传感器的传感机制可归因于氮硫杂冠醚与Hg2+络合导致电解液/栅极界面电容发生变化.转移曲线表明，当捕获Hg2+后，该SGGT器件仍然显示出典型的双极性行为，这符合石墨烯的独特特性，同时转移曲线向更正的栅极电压方向转移，狄拉克点明显向右迁移［图3（A）］.而未捕获汞离子时，其转移曲线无明显变化［图3（B）］.同时，分别将裸金电极和巯基乙胺修饰电极浸泡在含汞离子溶液中进行栅极测试，发现转移曲线均没有明显的偏移［图3（C）和（D）］.当以巯基乙胺修饰电极作栅极时，其它离子对该晶体管器件的转移曲线也没有明显影响（图S9，见本文支持信息）.这些结果表明SGGT传感器转移曲线VDirac变化是由冠醚捕获的Hg2+引起的.因此可证实，Hg2+与冠醚络合能引起晶体管转移曲线的迁移.

Fig.3 Responses for the crown ether⁃modified gate with(A)and without(B)the addition of 1×10-4 mol/L Hg2+;the responses for the addition of 1×10-4 mol/L Hg2+for bare Au electrode(C)and cysteamine⁃modified gate(D)

图4（A）为加入Hg2+前后，该溶液栅控晶体管器件电解质双电层（EDL）附近的电容变化机理示意图.由于电解质中存在自由移动的离子，当施加栅极电压后，栅极/电解质（EDL1，CG-E）和电解质/石墨烯沟道（EDL2，CE-C）两个界面可以被看作2个串联的平行板电容器.Fan等［19，26］利用功能化的CQDs修饰栅电极的SGGTs构建了高灵敏度、高选择性的Cu2+和Fe3+检测传感器，功能化的CQDs与检测离子之间的协同作用引起栅电极附近双电层电容下降，为了使沟道电流保持不变，则必须施加更高的栅极电压，因此，转移曲线的狄拉克点向正电压方向移动.本实验中，当栅极的冠醚通过络合反应结合Hg2+后，由于含有Hg2+的络合基团具有正电荷，会吸引电解质溶液中的负离子，从而在体系中创造一个新的电荷平衡.由于静电斥力的影响，溶液中的正电荷被阻止移动到栅极，扩散层变厚，导致栅极与静电场诱导的负电荷之间的距离增加.根据公式（1）和（2）可见，距离增加可导致EDL电容（CG-E）减小，进而使总电容（CTotal）减小.

Fig.4 Schematic diagram of capacitance variation mechanism of EDL near gate electrode before and after the addition of Hg2+(A);potential drop between the gate and the channel of the SGGT modified with crown before(solid line)and after(dashed line)addition of Hg2+(B)

式中：C为电容；d为EDL的厚度.根据栅极附近EDL电容的变化，电位降被重新分配［图4（B）］.

SGGT的沟道电流（IDS）计算公式如下：

式中：VDS是源漏极电压；VG是栅极电压；W和L是宽度和长度；μ为石墨烯中的电子或空穴的迁移率；Ci为栅极电容；VDirac是石墨烯沟道中费米能级平衡调制到电荷中性点（Dirac点）时的栅电压.如果器件的沟道电流保持恒定，Hg2+的加入将导致Ci降低，需要施加更高的栅极电压.因此，转移曲线向正电压方向偏移.

2.4 SGGT传感器测定Hg2+

Fig.5 Relationship between signal change and the logarithm concentration of mercury（A）and selectivity measurements of the crown ether⁃functionalized SGGT⁃based sensor（B）

为了证实该石墨烯晶体管器件能否应用于汞离子的定量分析，利用该传感器检测了不同浓度的Hg2+水溶液，并记录了狄拉克点的变化值.从图S10（A）～（I）（见本文支持信息）可以看出，Hg2+浓度在1×10-12～1×10-4mol/L范围内狄拉克点逐步向右迁移，说明随着Hg2+浓度的不断增加，狄拉克点的偏移更加明显.在Hg2+浓度超过1×10-7mol/L时，狄拉克点的变化幅度明显减小，这说明冠醚对Hg2+的络合反应接近饱和.在图5（A）中可以发现，在1×10-12～1×10-7mol/L范围内，狄拉克点的变化值与Hg2+浓度的对数值呈良好的线性关系［△VDirac=9.877 lgc+128.555（R2=0.997）］，可用于定量分析汞离子.通常将检出限确定为信噪比（S/N）大于3倍分析物的最小添加量［18，30］.当检测1×10-12mol/L Hg2+时，信号值为△VDirac，S=9.954 mV，检测空白组时，信号值为△VDirac，N=2.375 mV，△VDirac，S/△VDirac，N＞3.因此，该传感器的检出限为1×10-12mol/L，相比于常见的荧光传感器［31，32］、电化学离子传感器［12，33］和晶体管离子传感器［27］，本文中冠醚功能化的SGGT传感具有更高的灵敏度和更宽的检测范围，具有明显的优势（见表1）.

Table 1 Comparison of different methods for the detection of Hg2+

2.5 SGGT传感器的选择性

本文采用二硫杂-二氧杂-氮杂冠醚功能化的主要目的是提高对Hg2+的选择性，优良的选择性是评估传感器的重要标准之一.为了研究该SGGT传感器是否会受到其它金属离子的干扰，选取常见的12种金属离子（Cu2+，Ca2+，Ni2+，Zn2+，Cd2+，Pb2+，Co2+，Mn2+，Fe2+，Fe3+，Ba2+，Al3+）进行选择性分析，发现即便这12种干扰离子的浓度（1×10-5mol/L）高达汞离子浓度（1×10-8mol/L）的1000倍，该传感器对这12种干扰离子的狄拉克响应都低于12 mV［图5（B）］，对12种干扰离子混合溶液的响应也仅为13 mV，而对汞离子和含汞离子的13种混合溶液的响应值高达52 mV，是12种混合干扰离子的4倍.以上结果表明，冠醚功能化栅极的SGGT传感器具有优良的特异性，不受干扰离子的影响.同时，该器件也具有良好的稳定性，取6根Au电极以相同的方式进行修饰，并对同一浓度的样品进行测试，其结果相对一致（图S11，见本文支持信息）.

2.6 实际水样的检测

为了探索该传感器在实际重金属离子检测中的适用性和可靠性，采用武汉市的沙湖水进行Hg2+的加标实验.如表2所示，进行了3组实验，结果表明加入的Hg2+浓度与通过SGGT传感器检测的Hg2+浓度偏差不大.汞离子检测的标准偏差为1.10%～3.77%，回收率为99.20%～107.47%，表明该方法具有较高的准确性，同时说明SGGT用于为分析复杂样品中Hg2+的可靠性.

Table 2 Detection of different concentrations of Hg2+in lake water(n=3)

3 结 论

构建了一种基于冠醚功能化的溶液栅控石墨烯晶体管（SGGT）传感器用于Hg2+的分析检测.晶体管固有的放大功能提供了较高的灵敏度，而设计合成的氮硫杂冠醚分子与Hg2+之间的特异性络合使该传感器具有高选择性.该传感器中冠醚被功能化到栅极上，有利于提高沟道的稳定性，且器件沟道部分可重复使用.研究表明，该晶体管传感器对Hg2+检测所达到的线性范围为1×10-12～1×10-7mol/L，检出限为1×10-12mol/L，远低于美国卫生组织协会对饮用水中无机汞的要求.该传感器还具有良好的重复性和抗干扰性.因此，该氮硫杂冠醚修饰的SGGT传感器可用于低成本、高选择性、高灵敏的检测Hg2+.本文工作为溶液栅控晶体管传感在环境污染物的应用方面提供了一种可行性策略，为冠醚在传感器中的应用打开了新的思路.