第 1 章 緒論

1.1 基于有機電化學晶體管的酶生物傳感器研究現狀

酶生物傳感器是一類非常重要的生物傳感器。1962 年，Clark 等人[1]提出了酶生物傳感器的原理，將電極與具有特異性的酶聯合實現檢測特定物質。在隨后的幾十年里，酶生物傳感器引起了學術界的廣泛關注并得到了迅速發展。酶生物傳感器是以酶作為敏感生物元件，通過各種物理或化學信號轉換系統，記錄目標物與敏感元件之間反應所產生的可測信號，這種可測信號與目標物濃度具有比例關系，從而達到對分析物進行定量檢測的目的。與其他類型的生物傳感器相比，酶生物傳感器是將酶直接結合在金屬或半導體電極的表面，使其固化成膜，形成識別元件、接收元件與換能元件于一體的結構，并具有體積小、靈敏度高、選擇性好等諸多優點。

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1.2 酶生物傳感器電極納米材料修飾

為了提高酶生物傳感器的檢測性能，比較常見的方法是利用納米材料對電極進行修飾，這也是提高基于 OECT的酶生物傳感器檢測性能的一個重要途徑。納米材料作為 20 世紀最為重要的科學發現之一，極大地推動了科技的進步和社會的發展，也改善了人們的生活。納米材料具有許多特殊的性能，具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應及介電限域效應等五大效應。由于這些特點，納米材料呈現出許多奇異的物理﹑化學性能，在很多領域都得到了重要的應用和快速的發展。利用納米材料的小尺寸效應和高比表面積等特性，在柵電極上修飾后對OECT 的電化學性能有著顯著提高，尤其是基于 OECT 的酶生物傳感器的檢測性能得到很大提高。

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第 2 章 OECT的器件制備與表征

2.1 引言

基于 OECT 的生物化學傳感器因其具有高的靈敏度、容易制備、成本低、工作電壓低(<1 V)、可制備成柔性器件及在水性環境下能穩定工作等優點，在近幾年來受到了廣泛的關注[74-76]。OECT 的結構簡單，主要由三個電極(包括源極、漏極、柵極)、有機半導體活性層、襯底、電解質等部分組成。有機活性層覆蓋于源極和漏極之上，當施加一個柵電壓后，電解液中的離子會摻雜到有機活性層中，使得有機活性層中的載流子濃度發生改變，從而引起溝道電流發生變化。所以 OECT 器件的溝道電流會受到柵電壓的調控作用。OECT 一個顯著的優勢是能夠在水性環境下穩定工作，且工作電壓一般小于 1 V，因此在生物化學傳感器領域中得到重要應用[77, 78]。本章主要是對 OECT 器件的制備及其表征進行相關研究，OECT 器件制備的主要過程為熱蒸發沉積電極、旋涂有機半導體層、氮氣氛圍退火。表征主要分為表面形貌表征以及電化學性能表征，通過 AFM 對其表面平整度進行表征，通過測試 OECT器件的輸出特性曲線和轉移特性曲線等表征其電學性能。

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2.2 實驗部分

(1)試劑聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)，購于 Sigma-Aldrich 公司;磷酸鹽緩沖液 (PBS)，購于賽默飛世爾科技公司;二甲基亞砜(DMSO)。(2)儀器手套箱高真空熱蒸鍍儀(NEXDEP，加拿大 AE 公司 );氧等離子體清洗設備(Harrick Plasma PDC-32G-2);旋涂儀(KW-4A，中國科學院微電子研究所);原子力顯微鏡(AFM，Bruker 公司)等;半導體參數測試儀(Keithley 4200)。在 PEDOT:PSS 溶液中添加 5%的二甲基亞砜(DMSO)，并攪拌均勻以增加其導電性。將配制好的 PEDOT:PSS 溶液在旋涂儀上進行 500 rpm/6 s、3500 rpm/40 s 的旋涂處理，在器件表面形成一層 PEDOT:PSS 薄膜。將不需要覆蓋 PEDOT:PSS 薄膜的部分去除，只留下覆蓋溝道的部分。最后在氮氣氛圍中 180 C 退火 1小時，使 PEDOT:PSS膜更加牢固的附著在電極表面，從而制備得到 OECT 器件。

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第 3 章 基于 OECT的肌氨酸傳感器...................20

3.1 引言............... 20

3.2 實驗部分............... 20

第 4 章 基于 OECT的無創唾液血糖試紙及血糖儀................46

4.1 引言...............46

4.2 實驗部分...............46

第 4 章 基于 OECT的無創唾液血糖試紙及血糖儀

4.1 引言

隨著生活水平的日益提高，糖尿病已經成為嚴重影響人類身體健康的一大威脅，上升為世界性的第三大疾病[64]。在中國，隨著人口老齡化以及肥胖發生率的增加，糖尿病的患病率呈逐年上升趨勢，因此對糖尿病的預防及治療具有重要意義。糖尿病預防及治療的一個重要途徑是檢測并控制血糖濃度，為了有效監控糖尿病患者的血糖濃度，家庭便攜式血糖儀得到了普及，為患者監測血糖提供了便利的途徑。目前市場上常用的血糖儀需要采集血液，不僅給患者造成一定的創傷，還會有病毒通過血液交叉感染等危險。因此，開發新型無創血糖檢測技術具有非常重要的社會和經濟價值，是未來血糖檢測的發展趨勢。

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4.2 實驗部分

磷酸鹽緩沖液 (PBS)購于賽默飛世爾科技公司;葡萄糖(Glucose，C6H12O6，AR)購于上海凌峰化學試劑有限公司;葡萄糖氧化酶(GOx，Glucose Oxidase，10 KU)購于 Sigma-Aldrich公司。真空磁控濺射設備;手套箱高真空熱蒸鍍儀(NEXDEP，加拿大 AE 公司);氧等離子體清洗設備(Harrick Plasma PDC-32G-2);旋涂儀(KW-4A，中國科學院微電子研究所);半導體參數測試儀(Keithley 4200，Keithley公司)等。以基于 OECT 的葡萄糖傳感器為原理設計并制備無創唾液血糖試紙。為了優化試紙的檢測性能，設計了不同的電極結構與尺寸，同時設計并制備了鈀金、銀、碳、鉑等四種不同電極材質的試紙，其中鈀金電極試紙是通過噴墨打印技術制備，銀和碳電極試紙是通過絲網印刷制備，鉑電極試紙是通過磁控濺射工藝制備。通過不斷改進試紙的結構設計和制備工藝，最終得到性能優異的血糖試紙。

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結論

本論文主要以基于 OECT 的酶生物傳感器展開研究，內容包括優化 OECT 的器件制備工藝、利用 OECT 肌氨酸傳感器實現對肌氨酸的高靈敏檢測、基于 OECT 的無創唾液血糖試紙及血糖儀的應用研究初步探索等，主要結論如下：(1)優化了 OECT 的器件制備工藝。結果表明，器件在 PBS 溶液中可以穩定工作，且溝道電流可調范圍大于 1 個數量級(VGS<1 V)，有利于其應用于酶生物傳感器。當VGS大于或等于 0.7 V 時，IDS達到相對平衡狀態時間較短，所需時間為 20 s 左右，說明器件能夠快速達到穩定狀態。