有机薄膜晶体管及其在传感应用中的用途的制作方法

本申请为申请号201380022888.2、申请日2013年3月5日、题为“有机薄膜晶体管及其在传感应用中的用途”的分案申请。

本发明涉及有机薄膜晶体管及其制备，以及其在传感应用特别是在葡萄糖传感应用中的用途。

背景技术：

有机薄膜晶体管(otfts)的开发在最近几年发展迅速，主要是由于聚合物器件的独特物理性能，包括它们的柔韧性和能够使用低成本、基于溶液的技术进行制造。开发用于新的应用和现有应用的otfts的工作集中在两个主要的领域。第一，在材料和制造工艺中已经有系统性改进，这导致了有机器件的传统性能参数的改进，使得它们能够比得上无机对应器件。第二，已经对有机半导体层的薄膜形态进行了改进，目标是消除电子和/或空穴陷阱，以及增强聚合半导体材料中的自由载子传输。在开发高容有机介电层方面也取得了进步，也有报道在otft性能方面取得大的改进。有机材料对生物分子的固有兼容性使得otft适合用于生物传感应用。

本发明人已经成功地制造otft器件，其能够检测宽浓度范围的葡萄糖水平，并且制造简单、便宜。该器件为商业上可行的葡萄糖传感器开辟了道路，该传感器能够通过检测葡萄糖在唾液而非血液中的水平来评估血液葡萄糖浓度。这种器件可在确定血液葡萄糖水平时不需要获取糖尿病病人的血样。

技术实现要素：

在第一方面，本发明提供一种晶体管器件，其包括：

(i)一栅电极；

(ii)一介电层；

(iii)一半导体层，该半导体层包含至少一种有机化合物，

(iv)一源电极，

(v)一漏电极，

(vi)一衬底(substrate)，和

(vii)一酶。

栅电极可置于介电层之上(above)。

介电层可置于半导体层之上。

半导电层可置于源电极和漏电极之上以及二者之间。

源电极和漏电极可置于衬底之上。

栅电极可置于介电层之上并与其直接接触。

介电层可置于半导体层之上并与其直接接触。

半导电层可置于源电极和漏电极之上以及在二者之间，与源电极和漏电极直接接触。

源电极和漏电极可置于衬底之上，并与其直接接触。

栅电极可包含多孔基体(matrix)，或由其构成，或主要由其构成。

多孔基体可以是磺化的基于四氟乙烯的含氟聚合物-共聚物。

磺化的基于四氟乙烯的含氟聚合物-共聚物可以是2-[1-[二氟[(1,2,2-三氟乙烯基)氧基]甲基]-1,2,2,2-四氟乙氧基]-1,1,2,2-四氟-乙磺酸与1,1,2,2-四氟乙烯的聚合物。

介电层可包含聚(4-乙烯基苯酚)，或由其构成，或主要由其构成。

酶可位于栅电极中，或形成栅电极的一部分。

酶可位于介电层中，或形成介电层的一部分。

该至少一种有机化合物可以是聚(3-己基-噻吩)。

该源电极和/或漏电极可包括氧化铟锡(ito)、由其构成，或主要由其构成，例如，预成型ito。

半导体层厚度可在约5nm至约500nm之间，或者约75nm和约125nm之间，或者约100nm。

介电层厚度可在约50nm至约750nm之间，或者约300nm和约500nm之间，或者约400nm。

栅电极可相对于介电层偏移。

该酶可以是葡糖氧化酶。

第一方面的器件可以是用于传感(sensing)样品/分析物中葡萄糖的器件，例如在体液如唾液中的葡萄糖。

在第二个方面，本发明提供了一种方法，用于制备如第一方面限定的晶体管器件，其包括：

a)将源电极和漏电极沉积(deposit)于衬底上(over)；

b)将半导体层沉积于源电极和漏电极上，该半导体层包含至少一种有机化合物；

c)将介电层沉积于半导体层上；

d)将栅电极沉积于介电层上；

其中，酶被引入到器件，作为步骤a)至步骤d)中的一步或多步中的一部分。

可将该酶引入器件，作为步骤d)的一部分和/或步骤c)的一部分。

步骤a)可包括将源电极和漏电极沉积于衬底上，使得源电极和漏电极在衬底之上并与衬底直接接触。

步骤b)可包括将半导体层沉积于源电极和漏电极上，使得半导体层位于源电极和漏电极之上以及二者之间，该半导体层包含至少一种有机化合物。

步骤b)可包括将半导体层沉积于源电极和漏电极上，使得半导体层位于源电极和漏电极之上以及二者之间，并与源电极和漏电极直接接触，该半导体层包含至少一种有机化合物。

步骤c)可包括将介电层沉积于半导体层上，使得介电层位于半导体层之上并与其直接接触。

步骤c)可包括形成介电材料和酶的混合物，以及将混合物沉积于半导体层之上，以形成介电层。

步骤c)可包括形成介电材料和酶的混合物，以及将混合物沉积于半导体层之上，以形成介电层，使得介电层位于半导体层之上并与其直接接触。

步骤d)可包括将栅电极沉积于介电层上，使得栅电极位于介电层之上并与其直接接触。

步骤d)可包括形成多孔基体和酶的混合物，以及将混合物沉积于介电层上，以形成栅电极。

步骤d)可包括形成多孔基体和酶的混合物，以及将混合物沉积于介电层上，以形成栅电极，使得栅电极位于介电层之上并与其直接接触。

该半导体层和/或介电层可通过旋涂沉积。

可沉积半导体层，使其厚度在约5nm至约500nm之间，或者约75nm至约125nm之间，或者约100nm。

介电层和至少一种有机化合物如第一方面以及下文定义。

可施加介电层，使其厚度在约50nm至约750nm之间，或者约300nm至约500nm之间，或者约400nm。

源电极和漏电极可如第一方面和下文定义。

在第三方面，本发明提供第一方面的器件用于传感样品/分析物中的化合物的用途。

该化合物可以是葡萄糖。

样品/分析物可以是体液，如唾液。

在第四方面，本发明提供了一种方法，用于确定包含该化合物的样品/分析物中化合物的浓度或量，该方法包括以下步骤：

a)提供一第一方面的器件；

b)将一栅极电压和一漏极电压施加到器件；

c)使样品/分析物与器件接触；

d)检测漏极电流；及

e)基于漏极电流的大小确定化合物的浓度或量。

该化合物可以是葡萄糖。

步骤c)可包括使样品/分析物与栅电极接触。

施加的栅极电压和漏极电压可大于使h⁺从h2o2释放所需的电压，并且小于引起水电解所需的电压。

施加的栅极电压和漏极电压可在约0v和-2v之间，或者约-1v。

样品/分析物可以是体液，如唾液。

在本发明的第五方面提供了一器件，由第二方面的方法制备。

附图说明

现仅通过举例方式，结合随附附图，描述本发明的优选实施方式，其中：

图1显示了本发明一种实施方式的hiot器件结构；

图2a显示了具有一pedot:pss栅的hiot器件在空气中测量的漏极电压对漏极电流的图；

图2b显示了具有一pedot:pss栅的hiot器件在干燥环境中测量的漏极电压对漏极电流的图；

图3显示了本发明一种实施方式中，nafion:gox栅hiot器件的输出特性；

图4显示了本发明一种实施方式中，对于葡萄糖在水中的不同浓度，nafion:gox栅hiot器件获得的电流变化。

定义

以下是一些定义，可能有助于了解对本发明的描述。这些都旨在作为一般性限定，并不仅仅将本发明范围限制在那些术语，提出这些定义是用于更好地理解下述说明。

在整个说明书中，除非上下文另有规定，否则词语“包含(comprise)”或其变形，如“包含(comprises)”或“包含(comprising)”，理解为意味着包括陈述的步骤或元素或整体，或多个步骤或元素或整体的组合，但不排除其它任何步骤或元素或整体，或多个步骤或元素或整体的组合。因此，在本说明书环境中，术语“包含”是指“主要包括但不必是唯一包括”。

在本说明书环境中，术语“约”理解为一系列数值，本领域技术人员可认为其与为了实现相同功能或结果的环境中的描述值等价。

在本说明书的环境中，术语“一(a)”和“一(an)”指文中一个或多于一个(即至少一个)语法上的物品。例如，“一元素”是指一个元素或多个元素。

在本发明书的环境中，术语“体液”理解为包括来源于人体或动物体内的任何液体，包括分泌或排泄的液体。体液的非限制性实例包括：血液、唾液、汗液、尿液、乳汁、胆汁和腹水。

在本说明书环境中，术语“顶部”指离衬底最远，术语“底部”指离衬底最近。当第一层描述为“置于第二层之上”时，第一层离衬底较远。而且，当第一层被描述为“置于第二层之上”时，在第一和第二层之间可存在额外的中间层，除非指明第一层与第二层“直接接触”。

具体实施方式

在一个方面，本发明提供一种晶体管器件，其包括：

(i)一栅电极；

(ii)一介电层，

(iii)一半导体层，该半导体层包含至少一种有机化合物，

(iv)一源电极，

(v)一漏电极，

(vi)一衬底，和

(vii)一酶。

在本发明的器件中，通过离子从介电层迁移到活性沟道(activechannel)，栅电势控制半导体化合物的掺杂和脱掺杂。相应的，为了准确反映它们的电子行为，本器件在此被称为“吸湿绝缘有机晶体管”(hiots)。

在一种实施方式中，栅电极可置于介电层之上。在另一种实施方式中，介电层可置于半导体层之上。在进一步的实施方式中，半导体层可置于源电极和漏电极之上以及二者之间。在另一实施方式中，源电极和漏电极可置于衬底之上。

在另一实施方式中，栅电极可置于介电层之上并与其直接接触。在另一实施方式中，介电层可置于半导体层之上并与其直接接触。在另一实施方式中，半导体层可置于源电极和漏电极之上以及二者之间，并与源电极和漏电极直接接触。在另一实施方式中，源电极和漏电极可置于衬底之上，并与其直接接触。

栅电极可包含多孔基体，或由其构成，或主要由其构成。多孔基体可以是溶胶-凝胶材料。在一种实施方式中，多孔基体是磺化的基于四氟乙烯的含氟聚合物-共聚物，例如包含四氟乙烯骨架和全氟烃基醚基团的共聚物，具有磺化基团末端。磺化的基于四氟乙烯的含氟聚合物-共聚物可以是聚四氟乙烯和全氟-3,6-二氧杂-4-甲基-7-辛烯-磺酸的共聚物，其由美国特拉华州威明顿市的杜邦公司(e.i.dupontdenemoursandcompany,wilmingtonde,usa)销售，商品名为在另一种实施方式中，磺化的基于四氟乙烯的含氟聚合物-共聚物是2-[1-[二氟[(1,2,2-三氟乙烯基)氧基]甲基]-1,2,2,2-四氟乙氧基]-1,1,2,2-四氟-乙磺酸与1,1,2,2-四氟乙烯的聚合物，由澳大利亚新南威尔士州城堡山的sigma-aldrich公司(sigma-aldrich,castlehill,nsw,australia)销售。

介电层可包含介电材料，或由其构成，或主要由其构成，例如聚乙烯酚，包括聚(4-乙烯基苯酚)。在器件中可使用的替代的介电材料对本领域技术人员来说是显而易见的。非限制性实例包括聚酰亚胺和聚(甲基丙烯酸甲脂(pmma)。在另外的替代实施方式中，介电层可包含经掺杂的介电材料，例如，高氯酸锂掺杂的聚(4-乙烯基吡啶)。

介电层的厚度可在约50nm和750nm之间，或者在约100nm和约700nm之间，或者在约100nm和约600nm之间，或者在约200和约500nm之间，或者在约300nm和约500nm之间，或者在约350nm和450nm之间，或者约400nm。

适用于半导体层的有机化合物包括任何具有半导体性能的有机化合物。合适的有机化合物的实例包括，但不限于：聚乙炔、卟啉、酞菁、富勒烯、聚对苯撑、聚苯乙炔、聚芴、聚噻吩、聚吡咯、多吡啶、聚咔唑、聚吡啶乙炔、聚芳基乙炔、聚(对-苯基甲基乙炔)，包括其衍生物和共聚物，以及进一步包括其混合物。

在本发明的一种实施方式中，至少一种有机化合物选自：聚(9,9-二辛基芴基-2,7-二基-共-双-n,n-(4-丁基苯基)-双-n,n-苯基-1,4-苯二胺)、聚(9,9-二辛基芴基-2,7-二基-共-苯并噻二唑)、聚(3-己基噻吩)、(6,6)-苯基-c61-丁酸甲酯和聚(2-甲氧基-5-(2′-乙基-己氧基)-1,4-苯乙炔)。还可考虑上述有机化合物的一种或多种的混合物。

半导体层的厚度可在约5nm和约500nm之间，或者在约5nm和300nm之间，或者在约50nm和约250nm之间，或者在约75nm和约125nm之间，或者约100nm。

源电极和漏电极可包括ito或预定型ito，或由其构成，或主要由其构成，然而本领域技术人员可意识到，该源电极和漏电极可包括替代材料、或由其构成，或主要由其构成，例如石墨烯和其它金属，包括金和银。

衬底可以是玻璃，或任何本领域技术人员已知的其它合适的衬底，例如，纸或低成本塑料，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。

器件的沟道长度可在约5μm和约50μm之间，或者在约10μm和约30μm之间，或者为约20μm，沟道宽度在约1mm和约20mm之间，或者在约1mm和约10mm之间，或者为约3mm。

该器件进一步包括酶。该酶可位于任意的器件组件中，或者形成组件的一部分，即酶可位于栅电极、介电层、半导体层、源电极或漏电极中，或者形成它们的一部分。酶还可位于沟道中，或形成沟道的一部分。在本发明某些具体实施方式中，酶位于介电层中，或形成它的一部分，或者酶位于栅电极中，或者形成它的一部分。栅电极可包括多孔基体和酶，或者由其构成，或者主要由其构成。酶(例如葡萄糖氧化酶)可均匀地分布在整个多孔基体中。

图1显示了本发明一种实施方式的hiot器件的结构。该器件是顶栅底触式薄膜晶体管，包括栅电极g(其位于器件顶部)，该栅电极置于介电层dl之上并与其直接接触；介电层dl，该介电层dl置于半导体层sl之上并与其直接接触；半导体层sl，半导体层sl置于源电极s和漏电极d之上以及二者之间，并与源电极s和漏电极d直接接触；源电极s和漏电极d，源电极s和漏电极d置于衬底(未显示)之上并与其直接接触。衬底位于器件底部。

在本发明第一方面的实施方式中提供了一晶体管器件，其包含：一栅电极，该栅电极包含一多孔基体和一酶，该栅电极置于介电层之上并与其直接接触，一介电层，该介电层置于半导体层之上并与其直接接触，一半导体层，该半导体层置于源电极和漏电极之上以及二者之间，并与二者直接接触，源电极和漏电极，该源电极和漏电极置于衬底之上并与其直接接触。

在本发明第一方面的另一实施方式中提供了一晶体管器件，其包含：一栅电极，该栅电极包含一磺化的基于四氟乙烯的含氟聚合物-共聚物和葡萄糖氧化酶，该栅电极置于介电层之上并与其直接接触；一介电层，该介电层置于半导体层之上并与其直接接触；一半导体层，该半导体层置于源电极和漏电极之上以及二者之间，并与二者直接接触；源电极和漏电极，该源电极和漏电极置于衬底之上并与其直接接触。

在上述实施方式中，该器件可称为顶栅底触式薄膜晶体管。

本发明器件可用于传感样品/分析物中的葡萄糖，例如在体液或非体液中的葡萄糖。因此，该器件可称为基于晶体管的传感器件。本发明的实施例中，体液是唾液，但本领域技术人员可意识到该器件可用于传感其它体液。本发明器件也可用于传感其它化合物。

本发明的器件可由低成本旋涂和印刷技术制造，从而为用于传感葡萄糖的可承担和一次性不可逆器件提供了潜力。本器件的所有组件都可打印出来。

在另一方面，本发明提供了一种方法，用于制备如第一方面限定的晶体管器件，其包括：

a)将源电极和漏电极沉积于衬底上；

b)将半导体层沉积于源电极和漏电极上，该半导体层包含至少一种有机化合物；

c)将介电层沉积于半导体层上；

d)将栅电极沉积于介电层上；

其中，酶被引入到器件，作为步骤a)至步骤d)中的一步或多步中的一部分。

在一种实施方式中，步骤a)可包括将源电极和漏电极沉积于衬底上，使得源电极和漏电极置于衬底之上并与衬底直接接触。在另一实施方式中，步骤b)可包括将半导体层沉积于源电极和漏电极上，使得半导体层位于源电极和漏电极之上以及二者之间，并与源电极和漏电极直接接触，该半导体层包含至少一种有机化合物。在另一实施方式中，步骤c)可包括将介电层沉积于半导体层上，使得介电层位于半导体层之上并与其直接接触。在进一步的实施方式中，步骤d)可包括将栅电极沉积于介电层上，使得栅电极位于介电层之上并与其直接接触。

可根据本领域技术人员已知的方法沉积半导体层和/或介电层，包括但不限于：电镀、气相沉积、旋涂、丝网印刷、喷墨打印、槽染(slot-dye)打印、喷涂、拉杆涂布(drawbarcoating)或它们衍生的涂布/打印技术、粉刷、凹版印刷、滚轧和压印。在一种实施方式中，该半导体层和/或介电层通过旋涂沉积。

在一些实施方式中，半导体层的沉积厚度可在约5nm和约500nm之间，或者在约5nm和约300nm之间，或者在约50nm和约250nm之间，或者在约75nm和约125nm之间，或者约100nm。

在一些实施方式中，介电层的施加厚度可在约50nm和750nm之间，或者在约100nm和约700nm之间，或者在约100nm和约600nm之间，或者在约200和约500nm之间，或者在约300nm和约500nm之间，或者在约350nm和约450nm之间，或者约400nm。

在本发明的实施方式中，酶作为步骤c)的一部分被引入器件。因此，步骤c)可包括形成介电材料和酶的混合物，以及将混合物沉积于半导体层上，以形成介电层。或者，步骤c)可包括形成介电材料和酶的混合物，以及将混合物沉积于半导体层上，以形成介电层，使得介电层位于半导体层之上并与其直接接触。

在本发明的其它实施方式中，酶作为步骤d)的一部分被引入器件。因此，步骤d)可包括形成多孔基体和酶的混合物，以及将混合物沉积于介电层上，以形成栅电极。或者，步骤d)可包括形成多孔基体和酶的混合物，以及将混合物沉积于介电层上，以形成栅电极，使得栅电极位于介电层之上并与其直接接触。

栅电极可通过本领域技术人员已知的方法沉积，例如，滴铸、气相沉积、溅射和印刷，包括喷墨、凹版、柔版和刮刀印刷。在一种实施方式中，栅电极通过滴铸多孔基体和酶的混合物而沉积。

在进一步的方面，本发明提供了一种方法，用于确定包含该化合物的样品/分析物中化合物的浓度或量，该方法包括以下步骤：

(a)提供一第一方面的器件；

(b)将一栅极电压和一漏极电压施加到器件；

(c)使样品/分析物与器件接触；

(d)检测漏极电流；及

(e)基于漏极电流的大小确定化合物的浓度或量。

该化合物可以是葡萄糖。步骤c)可包括使样品/分析物接触栅电极。或者，样品/分析物可与器件的其它部分接触。在一种实施方式中，样品/分析物与器件的一组件接触，该组件包含酶。

在这方面的一种实施方式中，栅极电压和漏极电压施加到第一方面的器件上，并且包含葡萄糖的样品/分析物例如体液如唾液与包含葡萄糖氧化酶(gox)的栅电极接触。样品中的葡萄糖通过与gox的酶反应被降解，从而产生h2o2。施加的栅极电压和漏极电压引起h2o2电解，从而释放h⁺离子。h⁺离子的增加导致漏极电流的增加，使得存在于样品/分析物中的葡萄糖的量和漏极电流的大小之间建立起关系。

施加的栅极电压和漏极电压可大于使h⁺从h2o2释放所需的电压，并且小于引起水电解所需的电压，因为水的电解可导致传感器的信噪比降低。优选地，施加的栅极电压和漏极电压可在约0v和-2v之间，或者优选约-1v。

步骤e)可通过参考合适的校准曲线进行。

实例

现在结合下列实例，通过实例说明，对本发明进行更详细的说明。这些实例都旨在说明本发明，不应解释为限制整个说明书中的本发明公开内容的概括性。

器件制造和特性

包含pedot:pss栅的器件的制造和特性

尽管先前有研究，hiot器件的操作仍然存在几个方面没有完全了解，如果需要将它们优化，用于传感应用中，这些方面仍需要得到解决。特别地，类晶体管行为的起源，以及介电和栅材料在确定器件操作方面的作用仍然没有完全了解。

为了了解类晶体管行为的起源，以及介电和栅材料的作用，一顶栅、底触薄膜晶体管如下制造：将玻璃载片(kintec)上的预成型ito用于源电极和漏电极，其具有一长度为20μm、宽度为3mm的沟道。将100nm厚的聚(3-己基噻吩)(p3ht)层(lumtec)旋涂到ito顶部作为半导体层。将聚(4-乙烯基苯酚)(aldrich)旋涂到p3ht层的顶部，厚度为约400nm。从水溶液使聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸酯)(pedot:pss)(stark)滴铸，以形成栅电极。

当表征这些器件时，控制栅极电压(vg)和漏极电压(vd)，同时监测漏极电流(id)。这些hiot器件展示出类晶体管的输出特性(具有明确限定的线性和饱和区域)，工作电压和电流调制比低，为10至100之间(见图2(a))。当在干燥气氛(充有n2的手套箱)中测量时，没有电流调制(图2(b))，确定了以下假设：离子移动影响晶体管特性，并且一旦将湿度从环境中移除，这些离子就不存在了。然而，当在手套箱中测量时，器件的电流水平相对较高——约等于在空气中测量时器件的导通电流(oncurrent)。因此，不希望受到理论限制，似乎离子在器件中的移动促进了器件的脱掺杂。再次，不希望受到理论限制，表明了离子群，阳离子和阴离子，均在介电层内自由移动，它们的位置根据三个电极的电压改变，从而影响id。

包含nafion:gox栅的器件的制造和特性

根据本发明的一种实施方式的一顶栅、底触薄膜晶体管如下制造：将玻璃载片(kintec)上的预成型ito用于源电极和漏电极，其具有一长度为20μm、宽度为3mm的沟道。将100nm厚的聚(3-己基噻吩)(p3ht)层(lumtec)旋涂到ito顶部作为半导体层。将聚(4-乙烯基苯酚)(aldrich)旋涂到p3ht层的顶部，厚度为约400nm。将一包含20mg/mlgox的nafion:gox混合物加入到收到的nafion溶液(产品编码274704-sigma-aldrichpty.ltd.，castlehillnsw,australia(澳大利亚新南威尔士州城堡山))中，然后滴铸形成栅电极。器件结构如图1所示。在其它实施方式中，可使用包含2mg/ml至20mg/ml的gox的混合物。

图3显示了nafion:gox栅器件的输出特性。尽管需要的工作电压稍微较高，电流调制比比较低(由于截止电流较高)，但是该器件显示了所需的类晶体管特性，这证实了其适用于葡萄糖传感器。

gox将葡萄糖分解成h2o2(还存在其它副产物)，h2o2在0.7v电压下发生电解，释放h⁺离子。因此，为了适当偏置该器件，应该存在使h2o2释放离子所需的电压，然而，该电压应优选不超过引起水电解所需的电势差(1.23v)，否则会降低传感器的信噪比。

对于传感测量，使器件偏置在vd＝vg＝-1v，将10μl分析物溶液(各种葡萄糖水溶液浓度)滴到器件顶部(即包含gox的栅上)，测量id作为时间的函数。图4显示了作为时间函数的id在四种不同葡萄糖浓度下的变化。通过在分析物滴加到器件后100秒的减法将数据归一化。显然，在葡萄糖浓度和电流改变之间存在关系。gox结合到nafion栅的葡萄糖传感被成功证明。通过葡萄糖的酶解反应释放的h2o2以及其后续的电解导致系统中产生额外的离子，这与提高vg的水平具有类似的效果，以获得较高的id。