一种基于功能化石墨烯的高灵敏可重复使用的离子传感器

前言

环境和水的重金属污染是我们社会一直关注的问题。最常见的污染物是汞(Hg)、砷(As)、铅(Pb)和镉(Cd)，即使在超痕量水平(定义为< 1 ppb)下，这些污染物也具有很高的毒性和致癌性。虽然铜(Cu)、镍(Ni)和锰(Mn)等一些重金属对人类健康至关重要，但在较高的浓度下，它们会在生物体中积累，并导致胃肠疾病和肝或肾损害。根据世界卫生组织，饮用水中铜的未观察到的不利影响水平为2毫克/升。实际上，从包含铜管或配件的分配系统中消耗水可以显著增加铜的摄入量。防止铜摄入量达到不良水平的一个解决方案是开发可靠的铜离子传感器。 然而，用于金属检测的现有常规分析方法依赖于复杂且昂贵的设备，这些设备需要样品预处理的几个步骤，有时需要高成本的材料和高技能的操作人员。此外，这些技术对于实时检测是不充分的。此外，最近还报道了区分生物可利用的游离铜离子和结合铜(其不进行稳态过程)的困难。这一挑战取决于这样一个事实，即已知前者在少数生物系统（如大肠杆菌和酵母）中浓度很低。因此，开发用于铜离子超痕量测定的实时片上实验室传感器变得至关重要。在这种情况下，制备具有快速响应检测的便携式化学传感器可以降低污染风险和二次过程的发生。根据用于执行测量的响应机制，有不同类型的化学传感器。这些包括光学过程(荧光、比色法和表面等离子共振)、电化学过程(微分脉冲伏安法、方波伏安法、计时电位法等)。与光学和电化学器件不同，场效应晶体管检测可以提供便携式模拟输出信号，体积更小，易于与微流体器件集成。

研究内容

米纳斯吉拉斯联邦大学的研究人员提出了一种用L-苯丙氨酸功能化的石墨烯ISFET器件，该器件在水溶液中工作，对多种金属(钠、钴、铝)的检测具有快速和实时的响应。特别是，传感器对极低浓度的Cu2+离子显示出极高的灵敏度，超过了其他方法。，L-苯丙氨酸具有典型的氨基酸结构中的胺和羧酸基团，使其能够吸引并与金属离子配位，而芳香基团促进了与石墨烯层的Π-Π相互作用。ISFET器件在痕量水平对Na离子、CO2+离子、Al3+离子和超痕量水平对Cu2+离子具有快速和灵敏的响应。此外，传感器采用非共价功能化方法制备，经过标准盐酸清洗过程后可以重复使用。

实验方法

石墨烯是用CH4低压化学气相沉积法在铜箔上合成的。器件在二氧化硅/硅280纳米晶片上构建。Lor 5B通过旋涂沉积，然后在180摄氏度下保持90s。接下来，通过旋涂沉积微孔S1813光致抗蚀剂，并在110摄氏度保持90s。然后将衬底暴露于光刻中。随后，在衬底表面沉积一薄层铬(3纳米)和一层金(30纳米)。剥离过程分别用剥离剂PG(光刻胶剥离剂)、丙酮和异丙醇进行。生长在铜衬底上面的石墨烯覆盖着聚甲基丙烯酸甲酯(C6)。分层的石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯膜在去离子水中洗涤几次，然后转移到二氧化硅/硅衬底。样品在室温下干燥24小时，然后在130℃下处理，保持30分钟。最后用丙酮去除PMMA。

该器件的示意性结构，石墨烯/金接触的光学图像

样本的IsdxVsd曲线。

不同Cu2+浓度下，Isd对原始石墨烯(红色)和功能化石墨烯(黑色)对时间的响应。

结论

石墨烯ISFET可用于检测极低浓度(微微摩尔)的Cu2+离子，并同时检测纳摩尔浓度的不同金属。该传感器还与钠离子相互作用，与钴和铝的相互作用相对较小，显示出对宽范围离子浓度的同时感测。传感器还被证明是可重复使用的，响应速度快，为实时和便携式传感器提供了一个有前途的平台，甚至可以检测水中非常低浓度的金属离子。

https://doi.org/10.1063/5.0009555。