一种流控扩展栅型场效应晶体管及其制备与应用

本发明涉及场效应晶体管传感领域，尤其是涉及一种流控扩展栅型场效应晶体管及其制备与应用。

背景技术：

1、现代消毒工艺是城市水处理中灭活病原微生物、预防水传播疾病暴发的重要环节。然而，消毒剂(如氯、二氧化氯、氯胺或臭氧)可与水源中的天然有机物或人为污染物相互作用，产生一系列消毒副产物(dbps)。毒性实验表明，dbps具有细胞毒性、基因毒性和致癌性，会增加患结肠癌和膀胱癌的风险。到目前为止，饮用水中已经发现了800多种不同的dbps。目前，用于三氯乙酸检测的分析技术主要有高效液相色谱法、离子色谱法、气相色谱法及与质谱联用技术。这些方法灵敏度高、选择性好、准确度高，但由于操作复杂、仪器便携性差，限制了其在快速实时监测中的应用。因此，开发高灵敏度、操作简单、快速响应的dbps快速原位监测方法迫在眉睫。

2、场效应晶体管(fet)作为一种新兴的电传感平台，以其超高灵敏度、快速响应和易于小型化等优点，在化学和生物分析领域受到了广泛的关注。然而，由于固有缺陷、栅氧化物的不均匀性和寄生效应，导电沟道的性能会受到器件间差异的影响。此外，在空气和水环境中，半导体沟道性质的变化会导致晶体管电性能不可避免的漂移，极大地影响了fet传感器的信号稳定性和可靠性。扩展栅场效应晶体管(egfet)可以有效地克服导电沟道与分析物直接接触所产生的不稳定性问题。典型的egfet结构包括一个金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、一个从晶体管栅极延伸出来的传感电极和一个控制电极。在传感过程中，mosfet远离液体接触和渗透，大大提高了egfet传感器的长期稳定性和可靠性。此外，扩展的传感电极可以使用各种电极衬底和改性材料进行定制，以适应不同的应用需求和场景。

3、以往报道的三氯乙酸检测方法主要基于电化学分析，依赖于三氯乙酸的脱氯反应。已经开发出的用于三氯乙酸分析的催化材料，包括银纳米材料和生物材料(例如血红蛋白)。铁卟啉作为血红蛋白的活性中心，在催化反应中作为模拟分子得到了广泛的应用。为了避免高价卟啉的强氧化导致μ-氧二聚体的形成进而影响活性位点的暴露和卟啉的自降解，应用了多种纳米结构(如金属纳米材料、碳纳米管和聚合物薄膜)来固定铁卟啉，以提高其催化活性。然而，铁卟啉的负载能力低、分布不均匀、稳定性差等问题仍然限制了其应用。

4、目前基于流控扩展栅型场效应晶体管的传感技术尚未报道。中国专利申请cn117643928a公开了一种碳基场效应晶体管与微流控相结合的单细胞分析芯片，实现了单细胞表面蛋白检测。通过专利对比，该专利中虽然采用了pdms模块实现了微流控，但其主要目的为利用微流控通道实现对单个细胞的分离和捕获，而非实现流动实时监测；且其流控通道是构建于晶体管半导体沟道上，正如前面提到的，半导体沟道性能可能会受到器件差异和检测环境影响，导致传感器潜在的不稳定性。

5、在三氯乙酸的电传感技术方面，中国专利申请cn115389582a公开了基于黑磷烯量子点(bpqds)修饰辣根过氧化物酶(hrp)传感器的应用，其线性范围为4-600mm，检测限为1.33mm。但该检测方法的检测限仍旧较高，难以满足现有中国生活饮用水标准中微量三氯乙酸的检测要求；并且传感器的抗干扰性未能确认，也未能实现流动水中的实时监测。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种流控扩展栅型场效应晶体管及其制备与应用，利用扩展栅型场效应晶体管的高灵敏度和高稳定性等优势实现痕量三氯乙酸的检测，满足中国生活饮用水卫生标准要求；并通过流控传感装置实现流动水中三氯乙酸的实时监测。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种流控扩展栅型场效应晶体管，该流控扩展栅型场效应晶体管包括：

4、流控传输层、传感器件层、底板层和金属氧化物半导体场效应晶体管，

5、其中，流控传输层、传感器件层和底板层从上至下叠放，金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极与传感器件层相连，

6、所述流控传输层开有流体通道和镂空检测腔，所述镂空检测腔上盖有薄膜，

7、所述传感器件层包括：碳电极、银电极和检测探针，所述检测探针位于碳电极表面，所述镂空检测腔设于覆于检测探针的碳电极和银电极的上方，

8、所述底板层为聚二甲基硅氧烷。

9、进一步的，所述流控传输层为聚二甲基硅氧烷，所述流体通道为聚四氟乙烯毛细管。

10、进一步的，所述传感器件层为丝网印刷电极，选择柔性绝缘基底，所述碳电极、银电极排布于柔性绝缘基底同一平面层。

11、进一步的，所述柔性绝缘基底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺。

12、进一步的，所述检测探针为金属有机框架结构包封铁卟啉材料，其制备方法包括：

13、将均苯三甲酸、四苯基卟啉铁溶于乙醇、n,n-二甲基甲酰胺得到溶液a；将硝酸铜溶于超纯水得到溶液b；将溶液a和溶液b混合反应，结束后离心洗涤、干燥，即所述金属有机框架结构包封铁卟啉材料。

14、进一步的，所述均苯三甲酸与四苯基卟啉铁的投料质量比为25:1-3，所述硝酸铜的质量浓度为12-15％。

15、进一步的，所述反应的温度为50-70℃，反应的时间为6-8h。

16、进一步的，将金属有机框架结构包封铁卟啉材料与壳聚糖按照质量比为(1-5):1混合后得到检测探针，后将检测探针滴涂于碳电极表面。

17、一种流控扩展栅型场效应晶体管的制备方法，所述流控扩展栅型场效应晶体管的流控传输层、传感器件层和底板层经过等离子体处理后按序组装，所述金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极与传感器件层的碳电极相连。

18、一种流控扩展栅型场效应晶体管的应用，所述流控扩展栅型场效应晶体管用于流动水中三氯乙酸的实时监测，包括：将流控扩展栅型场效应晶体管中金属氧化物半导体场效应晶体管的源极、漏极、传感器件层的银电极分别与半导体分析仪相连，用注射器将液体注入流体通道，即可实现流动水中三氯乙酸在宽浓度范围内的实时监测。

19、与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

20、(1)本发明通过合成金属有机框架结构包封铁卟啉材料(fetpp@hkust-1(cu))提高了对三氯乙酸脱氯反应的催化效率，合成方法简单，实验条件温和；

21、(2)本发明制备了一种用于快速灵敏检测三氯乙酸的新型流控扩展栅型场效应晶体管传感器，具有很快的响应速度(10s以内)和很高的灵敏度，检测范围为0.1～105μm，检测限为24nm，适合于低浓度微量污染物的精准检测；

22、(3)本发明基于柔性基底丝网印刷电极搭建了用于流动条件下三氯乙酸实时监测的流体传感平台，通过实时动态响应测试和选择性测试证明了其在复杂真实的流水环境中具有准确定量检测的效果，且对三氯乙酸具有良好的选择性；

23、(4)本发明提供了一种符合世界卫生组织饮用水质量标准和中国生活饮用水质标准三氯乙酸指导限值的高效检测方法。