引用： DOI： 10.1039/d2ay01728h

收稿日期 2022
接收日期 2022 年 10 月 24 日年 10 月 24 日录用日期 2023
年 1 月 9 日 DOI： 10.1039/d2ay01728h
rsc.li/methods

由 Ag 纳米颗粒装饰的石墨烯电化学晶体管，在较宽的浓度范围内对百草枯的检测表现出高灵敏度 $†$

王海瑞，（1） $^{a}$ 侯恩辉， $^{a} Na Xu$ 、（DD $^{a}$ 聂平，（D） $^{a}$ 张利民，（D）* 吴剑峰*b 和张雪林（D） *c

抽象

百草枯（PQ）是一种非选择性接触除草剂，在农业中用于控制阔叶杂草，即使浓度非常低，阔叶杂草也会对人体器官造成不可逆转的损害。因此，环境中 PQ 的痕量残留检测至关重要。在这里，首次报道了一种用于 PQ 检测的新型石墨烯电化学晶体管（GECT）。该器件设计的关键是应用一层 Ag 纳米颗粒（Ag NP）修饰的单层石墨烯作为通道层。由于 Ag NPs 对 PQ 检测具有良好的电化学活性，该装置对 PQ 表现出优异的灵敏度，检测限为 0.068 nM，线性范围为 0.1 nM 至 5 mM。GECT 传感器还显示出对几种常见干扰物的良好选择性，当使用大白菜作为模拟物推断真实检测情况时，PQ 检测表现出令人满意的回收率。GECT 传感器不仅为 PQ 残留的检测提供了一种有效的方法，而且为构建新型高灵敏度电化学传感器提供了有效的接枝平台。

1. 引言

在现代农业中，喷洒除草剂是增加粮食产量和降低劳动力成本不可或缺的步骤。在这种需求的推动下，百草枯（PQ）已在近 80 个国家/地区得到广泛应用，并因其出色的除草能力而长期位居全球除草剂榜第二位。

^{1}

PQ 的超强除草能力源于缺电状态，可自发氧化生成过氧阴离子。这些过氧阴离子会与细胞中的不饱和脂肪酸发生反应并引起过氧化，使生物膜逐渐失去半渗透性，最终导致细胞死亡。

^{2}

因此，PQ 揭示了非选择性细胞杀伤特性，这不仅对植物致命，而且对动物（包括人类）也是致命的。据悉，PQ 对人类的致死剂量为

c a .30 - 40 mg {kg}^{- 1}

和

口服中毒的死亡率高达

60.3 - 87.8 %

，伴随着缺乏 PQ 的特异性解毒剂。

^{3, 4}

因此，建立一种快速、高效、高灵敏度的PQ检测方法，以提高政府监管效率，防止环境污染，保障公共安全。

PQ 检测的常规分析方法主要有两种：色谱法和光谱法。前者包括气相色谱法、

^{5}

高效液相色谱 /

^{6}

以及增强色谱-质谱法，

^{7}

等，而后者主要包括荧光色谱、

^{8, 9}

和表面增强拉曼散射（SERS）光谱。

^{10}

虽然这些检测技术可以提供高精度的检测，但它们必须在专业实验室进行，存在设备昂贵、成本高和对专业操作技能要求复杂的缺点。电化学检测可能是传统技术的合适且经济的替代方案，因为除草剂的快速响应和现场分析。

^{11 - 16}

然而，简化制备检测电极的复杂过程以及如何最好地将检测功能单元集成到基于芯片的传感器中仍然是电化学检测面临的挑战。

^{17 - 19}

此外，传感器应始终
PQ 检测的常规分析方法主要有两种：色谱法和光谱法。前者包括气相色谱

^{5}

、高效液相色谱

^{6}

和增强色谱结合质谱

^{7}

等，而后者主要包括荧光色谱等常规光谱技术，

^{8, 9}

以及表面增强拉曼散射（SERS）光谱。

^{10}

^{11 - 16}

然而，简化制备检测电极的复杂过程以及如何最好地将检测功能单元集成到基于芯片的传感器中仍然是电化学检测面临的挑战。

^{17 - 19}

此外，传感器应完全智能地检测目标分子浓度的变化智能地检测目标分子浓度的变化，并以电信号的形式快速准确地将信息传输到处理器。

作为一种很有前途的电化学检测技术，电化学场效应晶体管因其固有的放大功能而表现出迷人的高灵敏度。由分子水平化学反应、电化学反应或分子吸附引起的界面处的电扰动信号可以通过电化学场效应晶体管灵敏地监测，然后以放大的源极-漏极电流进行转导。

^{20 - 22}

特别是，近年来研究人员探索了以二维单层石墨烯为通道活性层的石墨烯电化学晶体管（GECT）。

^{23}

与其他半导体材料相比，石墨烯表现出无与伦比的高载流子迁移率、大比表面积和高跨导增益，更重要的是，其特殊的单原子层结构和暴露共轭

Π

Bond 网络结构将揭示许多表面敏感的活性位点，并赋予其对来自外部环境的电扰动的超高敏感性。

^{24}

到目前为止，GECT 已经用于检测多种生物学相关分子，包括葡萄糖、

^{25}

药物（如毒物、阿片类药物和抗生素），

^{26 - 29}

疾病生物标志物，

^{30, 31}

具有单核苷酸错配特异性的 DNA 序列

^{32}

和病原体，如细菌，

^{33}

单细胞 /

^{34}

和病毒。

^{35}

然而，到目前为止，很少有关于 GECTs 在 PQ 检测中应用的报道。这是因为 PQ 是一种对还原电位做出反应的联吡啶化学物质，因此很难通过修饰栅电极来实现高灵敏度检测。此外，还原潜力高（

- 0.6 - - 0.8 V

）与贵金属（Au 和 Pt）作为栅极进行调制时，CVD 制备的单层石墨烯的狄拉克点重合，这将大大降低晶体管输出的信号比，从而降低检测灵敏度。

^{36}

然而，石墨烯的一个迷人之处在于零带隙，这提供了通过修饰其表面的催化剂来调整其狄拉克点的可能性，并且可以根据目标分子的检测要求围绕适当的栅极电位调整线性响应区间。

^{37}

此功能特别适用于检测对还原电位有反应的目标分子，例如 PQ。特别是，当贵金属纳米颗粒以目标分子的电催化还原为识别信号进行石墨烯通道层的修饰时，由于贵金属纳米颗粒与石墨烯之间具有很强的金属-载体相互作用，电催化反应过程中的电子转移会强烈影响石墨烯的电子结构。导致电子电导率发生显著变化，从而产生强通道电流变化信号。
此功能特别适用于检测对还原电位有反应的目标分子，例如 PQ。特别是，当贵金属纳米颗粒以目标分子的电催化还原为识别信号进行石墨烯通道层的修饰时，由于贵金属纳米颗粒与石墨烯之间具有很强的金属-载体相互作用，电催化反应过程中的电子转移会强烈影响石墨烯的电子结构。导致电子电导率发生显著变化，从而产生强通道电流变化信号。

^{38, 39}

综上所述，上述信号产生机制为高灵敏度 PQ GECT 传感器的设计提供了一种可行的途径。

在这项研究中，设计和制造了 GECT 传感器来首次检测 PQ。通过真空蒸发方法在石墨烯通道层上对具有电化学活性的 Ag 纳米颗粒进行功能化，作为 PQ 的识别单元。研究发现，Ag 纳米颗粒修饰使石墨烯的 Dirac 点发生正向偏移，从而为检测 PQ 提供了合适的线性 p 型响应区间。基于上述机制，研究并确定了有助于优化检测性能的实验参数，包括 Ag 纳米颗粒的电沉积时间、检测环境溶液的 pH 值和栅极电压。此外，还参与了几种常见干扰物的检测实验，以评估所制备的 GECT 传感器的抗干扰能力，并进行了以大白菜作为真实样品检测 PQ 的实际应用。有希望的结果表明，用 Ag 纳米颗粒功能化的 GECT 可以为快速、简单和灵敏的 PQ 检测提供一个有效的平台。

2. 实验细节

2.1 试剂和材料

带有铜线圈衬底的化学气相沉积（CVD）生长的单层石墨烯购自 6Carbon Technology （Shenzhen）。PMMA，

{FeCl}_{3}, {AgNO}_{3}, {Na}_{2} {SO}_{4}, {NaNO}_{3}

{Na}_{2} {PO}_{4}, {MgSO}_{4}, NaCl, K_{2} {SO}_{4}, 2, 2^{'}

-联吡啶乙醇和丙酮购自国药化学试剂有限公司PQ（MP）购自北京化工科技有限公司。所有化学品均为分析试剂级，无需进一步加工即可直接使用。在所有程序中，超纯水均来自水净化系统（GW-UN，北京浦肯野通用仪器有限公司，电阻率> 18

M Ω cm

).
带有铜线圈衬底的化学气相沉积（CVD）生长的单层石墨烯购自 6Carbon Technology （Shenzhen）。PMMA，

{FeCl}_{3}, {AgNO}_{3}, {Na}_{2} {SO}_{4}, {NaNO}_{3}

，

{Na}_{2} {PO}_{4}, {MgSO}_{4}, NaCl, K_{2} {SO}_{4}, 2, 2^{'}

M Ω cm

）.

2.2 设备的制造

{SiO}_{2}

尺寸为

1 cm \times 1 cm

用作器件的衬底。

Au (80 nm) / Cr (20 nm)

通过热蒸发沉积在玻璃上，并在钢面罩的辅助下用作漏极和源极。通道的长度和宽度分别为 6 mm 和 0.2 mm。单层石墨烯的转移操作遵循经典的湿法蚀刻转移方法。

^{40}

通常，将一层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）旋涂到铜箔上的石墨烯上，作为保护和支撑层。固化后

130^{\circ} C

在加热板上 30 分钟，将 PMMA 附着的石墨烯切成

3 \times 3 mm

.铜箔基板的背面用氧等离子体蚀刻，以去除额外的石墨烯生长，从而可以干净、畅通无阻地蚀刻铜箔。然后，将方形块小心地漂浮在 1 M 氯化铁溶液的表面上

({FeCl}_{3})

用于蚀刻铜基板。残差

{FeCl}_{3}

通过在超纯水中反复转移薄膜 5 次来去除粘附在石墨烯上的物质。在后续步骤中，清洁后的石墨烯通过晶体管的源极和漏极转移。在石墨烯转移操作之前，

{SiO}_{2}

玻片用氧气等离子体预处理 3 min，以提高亲水性，确保石墨烯具有良好的粘附性。转移操作后，将石墨烯器件置于空气中干燥 12 小时，以完全去除水分。为了确保石墨烯完全附着在基板上，该器件在

90^{\circ} C

半小时。在最后一步中，将石墨烯器件浸泡在

60^{\circ} C

6 小时以溶解并去除附着的 PMMA 薄膜。丙酮每 2 小时更换一次。Ag NPs 通过真空蒸发沉积在石墨烯通道层上。气相沉积真空设置为

2 \times 10^{- 3} Pa

，将气相沉积速度调整为每秒 0.9 埃，同时监测薄膜厚度。当厚度达到 8 nm 时，停止气相沉积。最后，将 Ag NPs 沉积装置在

200^{\circ} C

在氢-氩混合气氛中放置 1 小时。在电化学测试之前，使用 PDMS 密封剂对从源极到漏极的金属电极进行钝化。

{SiO}_{2}

尺寸为

1 cm \times 1 cm

用作器件的衬底。

Au (80 nm) / Cr (20 nm)

^{40}

通常，将一层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）旋涂到铜箔上的石墨烯上，作为保护和支撑层。固化后

130^{\circ} C

在加热板上 30 分钟，将 PMMA 附着的石墨烯切成

3 \times 3 mm

({FeCl}_{3})

用于蚀刻铜基板。残差

{FeCl}_{3}

{SiO}_{2}

90^{\circ} C

持续了半小时。最后一步，将石墨烯器件在丙酮

60^{\circ} C

中浸泡 6 h，溶解并去除附着的 PMMA 薄膜。丙酮每 2 小时更换一次。Ag NPs 通过真空蒸发沉积在石墨烯通道层上。将气相沉积真空度设置为

2 \times 10^{- 3} Pa

，将气相沉积速度调整为每秒 0.9 埃，同时监测薄膜厚度。当厚度达到 8 nm 时，停止气相沉积。最后，将 Ag NPs 沉积装置在管式炉中在

200^{\circ} C

氢氩混合气氛中热处理 1 h。在电化学测试之前，使用 PDMS 密封剂对从源极到漏极的金属电极进行钝化。

2.3 仪器和表征

循环伏安法测试在具有常规三电极系统的 CHI760e 电化学工作站上进行。Ag NP 改性石墨烯通道层用作工作电极。参比电极是

Ag / AgCl

电极和铂丝用作辅助电极。硫酸钠溶液

({Na}_{2} {SO}_{4}, 0.1 M, pH = 7)

广泛用于百草枯电化学检测的生物，在本文涉及的所有电化学相关测试中均被选为支持电解质。

^{11}

通过原子力显微镜（AFM）和场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）分析了银纳米颗粒改性的石墨烯通道层的表面形貌。使用与 FESEM 耦合的能量色散 X 射线光谱仪（EDS，QUANTAX EDS XFLASH 6/30，布鲁克）分析了 GECT 设备表面的元素信息。通过 X 射线光电子能谱（XPS， Thermo Fisher ESCALAB250XI， USA）研究了 Ag NPs 修饰的石墨烯通道层的组成。

2.4 检测程序

GECT 的所有性能特征和 PQ 的检测性能测试均在

{Na}_{2} {SO}_{4}

解决方案（

0.1 M, pH = 7

）辅以两个 Keithley 2400 数字源表。用于检测 PQ 的容器是一个装有 10 mL

{Na}_{2} {SO}_{4}

溶液。GECT 器件的源极层、漏极层和通道层浸入溶液中，金线用作栅极。栅极电压和通道电压分别设置为 0.7 V 和 0.05 V。计时安培法用于监测通道电流（

I_{DS}

），同时 PQ 浓度持续增加。抗干扰试验、稳定性试验和实样模拟试验均在相同的实验条件下进行。

3. 结果和讨论

3.1 GECT 表面形貌和组成的表征

通过 AFM 和 FE-SEM 对 Ag NPs 修饰的石墨烯通道层的表面形貌进行了表征。真空蒸发形成的 Ag NP 层的厚度可以从 AFM 图像中得出（图 1）。石墨烯/Ag NPs 表面的高度剖面在 -4 nm 和 4 nm 之间波动，表明 Ag NPs 的厚度约为 8 nm（图 1b），这与蒸发过程的设定值一致。图 2 显示了进一步热处理后真空蒸发形成的 Ag NPs 的表面形貌。可以发现，一些纳米颗粒均匀分布在石墨烯表面，没有团聚，颗粒的尺寸约为 30 nm。Ag NPs 的粒径显著大于热处理前。这意味着热处理导致真空蒸发形成的小 Ag NP 团聚在一起，从而产生更大的晶粒尺寸颗粒。图 2b 和 c 是图 2a 关注的部分中分布的 C 和 Ag 元素的 EDS 映射。由此可见，真空蒸发过程使 Ag 元素均匀分布在石墨烯表面。

为了进一步确认石墨烯通道层和 Ag NPs 的组成，使用 XPS 进行分析，结果如图 3 所示。图 3a 显示了测量扫描

图 1 （a）真空蒸发形成的 Ag NP 改性石墨烯的 AFM 图像，（b）真空蒸发形成的 Ag NP 改性石墨烯表面的高度剖面。

$^{a}$ 环境友好材料制备与应用教育部重点实验室（吉林师范大学），长春， 130103电子邮件：aaaa2139@163.com
$^{b}$ 军事医学科学院药理毒理研究所，毒理学与医学对策国家重点实验室，毒物分析实验室，北京， 100850电子邮件：ammswjf@hotmail.com
$^{c}$ 哈尔滨工业大学宇航学院 MEMS 中心，150001哈尔滨。电子邮件：zhangxuelin@hit.edu.cn
$†$ 提供电子补充信息（ESI）。请参阅 DOI：https://doi.org/10.1039/d2ay01728h

由 Ag 纳米颗粒装饰的石墨烯电化学晶体管，在较宽的浓度范围内对百草枯的检测表现出高灵敏度 † † †\dagger

抽象