一种离子门控晶体管及其制备方法与口罩传感装置及应用

本发明属于可穿戴智能电子，涉及一种离子门控晶体管及其制备方法与口罩传感装置及应用。

背景技术：

1、呼吸道传染疾病是指病原体从人体的鼻腔、咽喉和气管等呼吸道感染侵入而引起的疾病。它具有极高的发病率和传染性，极易形成暴发和流行，对人类的生命健康造成严重威胁。在呼吸道传染疾病扩散过程中，飞沫和空气是主要的传播介质，因此直接检测空气中的传染病病原体，可以快速诊断疾病，在疫情爆发的早期阶段防止感染的传播。

2、目前的临床诊断方法主要有反转录加实时聚合酶链式反应法(rt-pcr)和酶联免疫吸附法(elisa)等，但是这些技术需要取样和实验室分析等耗时的过程、以及昂贵的仪器和专业的操作人员，不适用于现场快速检测(point-of-care testing，poct)。因此，需要开发一种快速灵敏、便携简单的可穿戴设备实现对空气中的呼吸道传染疾病病毒的痕量检测。离子门控晶体管由于具有输出信号放大、灵敏度高、体积小和功耗低等优点而备受研究人员的青睐。但在现有技术中，还未开发出基于离子门控晶体管的用于检测空气中传染性病毒的可穿戴设备。

技术实现思路

1、本发明的目的就是提供一种离子门控晶体管及其制备方法与口罩传感装置及应用，用于解决现有技术中呼吸道传染疾病监测器材昂贵、操作复杂，不适于直接通过空气样本诊断呼吸道传染疾病的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种离子门控晶体管的制备方法，包括以下步骤：

4、s1：采用多层光刻技术制备柔性晶体管；

5、s2：采用端基为巯基的适配体对柔性晶体管的栅极进行修饰；其中，所述的适配体为与呼吸道传染疾病相关的病毒所对应的适配体；

6、s3：在修饰后的柔性晶体管上形成离子凝胶介电层，并得到离子门控晶体管。

7、进一步地，步骤s1包括：

8、s1-1：通过紫外光刻和热蒸镀在柔性基底上依次沉积铬层与金层，并形成源极、漏极与栅极；

9、s1-2：通过二次光刻和旋涂聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐制备作为器件的沟道层，其厚度为300～350nm，并得到晶体管。

10、进一步地，步骤s1-1中，所述的铬层的厚度为5～10nm，所述的金层的厚度为50～100nm，所述的柔性基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯；

11、步骤s1-2中，所述的沟道层厚度为300～350nm；旋涂转速为1000～1500转/分钟。

12、进一步地，步骤s2中包括：

13、s2-1：配制适配体溶液，并与三(2-羧乙基)膦溶液混合，并静置活化；

14、s2-2：将活化后的混合溶液滴加至晶体管的栅极上，再在室温下孵育18～24h，再使用bsa溶液浸泡处理，之后经洗涤干燥，即得到修饰后的晶体管。

15、进一步地，步骤s2-1中，所述的适配体溶液包括sars-cov-2适配体溶液、h1n1适配体溶液、h5n1适配体溶液中的至少一种，溶液浓度为20～25μm，溶剂优选为1x pbs缓冲液；

16、所述的三(2-羧乙基)膦溶液优选为10～15mm的水溶液；

17、所述的适配体溶液与三(2-羧乙基)膦溶液的混合体积比为98:2～99:1；

18、静置活化中，活化温度为室温，活化时间为1～1.5h。

19、进一步地，步骤s2-2中，所述的bsa溶液的浓度为0.1～1mg/ml，处理时间为1～1.5h；

20、洗涤过程中，所用洗涤剂为1x pbs缓冲液；干燥过程包括采用氮气吹干。

21、进一步地，步骤s3包括：

22、s3-1：将水与二甲基亚砜、热溶性聚合物混合，得到第一反应液；

23、s3-2：在封闭状态下，将第一反应液于80～90℃下搅拌加热1.5～2h，再加入离子溶液，并继续搅拌反应30～45min，得到第二反应液；

24、s3-3：将第二反应液3d打印至修饰后的柔性晶体管上，经多次冷冻即形成离子凝胶介电层，并得到离子门控晶体管。

25、进一步地，步骤s3-1中，所述的热溶性聚合物为聚乙烯醇；步骤s3-3中，离子溶液为1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰)亚胺；

26、所述的水、二甲基亚砜、热溶性聚合物、1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰)亚胺的质量比为(3.2～3.8):(0.8～1.2):(0.6～1.0):(1.25～1.35)；

27、步骤s3-3中，3d打印过程中，打印温度为40～48℃，打印层厚度为0.8～1.5mm；

28、多次冷冻过程包括：先在-20℃至-40℃冷冻30～60min，取出在室温下放置30～60min，再在-20℃至-40℃冷冻30～60min，如此循环重复。

29、一种集成离子门控晶体管的口罩传感装置，包括口罩本体、设于口罩本体上的呼吸阀，以及设于呼吸阀内的离子门控晶体管；

30、所述的离子门控晶体管采用如权利要求1至8任一项所述的方法制备而成。

31、进一步地，所述的离子门控晶体管还与无线传输模块电连接；

32、所述的呼吸阀包括上呼吸阀体与下呼吸阀体，离子门控晶体管的检测部位夹持固定于上呼吸阀体与下呼吸阀体之间。

33、所述的上呼吸阀体的一侧面上对应于检测部位开设有进气腔，另一相对侧面上开设有多个与进气腔相连通的进气管；所述的下呼吸阀体的一侧面上对应于检测部位并列开设有多个出气支管，另一相对侧面上开设有多个与出气支管相连通出气总管。

34、一种集成离子门控晶体管的口罩传感装置的应用，包括将所述的口罩传感装置用于远程检测气体中的痕量目标分子，实现实时、快速、灵敏的检测；其中，所述的痕量目标分子包括与呼吸道传染疾病相关的病毒蛋白。

35、本发明提供了一种离子门控晶体管及其制备方法，以及集成该离子门控晶体管的口罩传感设备。其中，离子门控晶体管是通过合成基于双溶剂体系的热溶性聚合物-离子凝胶，采用3d打印技术将其在晶体管的电极层上图案化以作为介电层制备而成。采用新型的离子凝胶作为晶体管的介电层，制得的离子门控晶体管具有良好的场效应性能。对离子门控晶体管进行适配体探针的修饰，实现对以气体形态存在的呼吸道传染病病毒蛋白的高灵敏检测。

36、所述的口罩传感设备还包括呼吸阀与电路板。其中，呼吸阀是由通过3d打印制备得到可拆卸的上下层结构组成，其内部具有微小精细的花状导气管结构，用以富集目标气。电路板集成无线传输模块，将其与离子门控晶体管传感器共同组装在口罩上后，所得可穿戴的口罩传感设备，可以实现实时、持续检测空气中的呼吸道传染疾病的病原体。由此解决目前缺少在早期阶段快速诊断呼吸道传染疾病的技术的问题。

37、与现有技术相比，本发明具有以下特点：

38、1)本发明中的集成离子门控晶体管的口罩传感设备，使用离子凝胶作为介电层，使得离子门控晶体管具备全固态结构，可以集成到可穿戴设备上用于以气体为目标物的检测场景；

39、2)本发明中的离子凝胶层提供灵敏的栅控作用，结合离子门控晶体管的输出信号放大功能，实现对气体中的呼吸道传染疾病的病毒蛋白的痕量检测，具有快速响应、操作简单的特点；

40、3)本发明中的集成离子门控晶体管的口罩传感设备集成无线传输系统，作为以特殊的口罩形式存在的可穿戴设备，它在提供个人防护同时，可以实现持续、远程的实时监测，为呼吸道传染病的早期诊断和防控提供有效的方法。