Small:基于石墨烯电学特性的超灵敏场效应生物传感器

基于半导体的无标记纳电子生物化学传感技术与需要对分子进行标记的基于光学/磁学的检测分析方法相比，在便捷性、实时性上有更好的表现。石墨烯场效应生化传感器是一种离子敏感型场效应晶体管，它通过探测石墨烯通道在离子或生物化学分子结合时由于场效应发生的电导变化进行传感。使用不同构型（背栅或液栅）的石墨烯场效应管，可以在不同环境（气相或液相）下进行生物化学传感。由于其极高的载流子迁移率和较低的电噪声，受到广泛的关注。石墨烯纳电子生物化学传感器的最新研究使在极低浓度下精确监测人体的生物标志物及环境中的化学物质成为可能，在早期诊断和环境评估方面有着极其巨大的应用潜力。然而，基于电荷检测的石墨烯场效应传感器在实际应用中存在一些亟待解决的难题，它们主要来源于生化检测环境的复杂性，其中包括检测环境中存在大量离子会对目标分子产生徳拜屏蔽作用，因此必须设法克服该效应才能实现生理溶液中的原位传感。同时，需要考虑背景离子在传感器表面的可能吸附及影响。

清华大学符汪洋课题组系统介绍了石墨烯生物化学传感器方面的最新研究成果，提出了提升传感性能的两大策略，即表面特异修饰和新型测量原理及方法。该综述详细介绍了器件原理、结构设计、表面功能化处理及新型测量手段，并例举了该传感器在各领域中的应用前景，最后对该领域的研究现状进行了评述和展望。

为进一步提升石墨烯纳电子生物化学传感器的检测灵敏度，包括特异识别的准确度和检测极限，以及开发在实际复杂环境条件下的应用，该团队利用石墨烯独特的电学性能，从传感器表面特异性修饰及新型电学测量原理方法两方面进行研究，有效提升了器件性能。首先，要实现石墨烯生化传感器对目标分子的特异性识别，必须通过共价/非共价功能化的方法在石墨烯表面引入受体分子。不同生化分子对石墨烯表面的化学功能化和处理，一方面提升了其传感的灵敏度，另一方面也可对石墨烯表面进行钝化以抑制非特异性吸附带来的不良影响。其次，复杂的传感环境要求生物传感器必须能够克服外界噪声的干扰，以及生理溶液中离子氛的屏蔽。该团队开发出在电中性点附近的双极性测量以及高频测量等手段，可实现石墨烯生化传感器的低噪声、高灵敏度检测。此外，通过栅电压调节石墨烯费米能级，石墨烯通道的载流子在空穴态与电子态之间连续变化，产生双极性行为。偏置该场效应晶体管，则可在漏极得到具有较高输出纯度和增益的二倍频信号，该信号有更好的漂移特性和信噪比。特别地，石墨烯场效应晶体管使用传统直流或低频测量时会受到生理溶液中移动离子的屏蔽作用（即徳拜屏蔽）而无法进行有效检测。而石墨烯的高载流子迁移率使得采用高频测量手段克服徳拜屏蔽作用成为可能，从而实现了石墨烯场效应生化传感器直接在生理溶液中的高灵敏度检测，且该检测方法无需对受体分子进行特殊设计。

回顾当前研究，以石墨烯为代表的二维材料生物化学传感器已经在环境监测、人类健康、医学诊断和生物化学研究等多个领域发挥作用。研究者相信，随着研究的进一步深入开发，拥有独特电学性能的石墨烯有望满足下一代生物化学传感器的更高需求，特别是结合石墨烯的表面功能化、多频双极检测和高频检测等手段后。相关论文以“Ultrasensitive Field‐Effect Biosensors Enabled by the Unique Electronic Properties of Graphene”为题，在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201902820)上。该工作得到国家自然科学基金委及新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室的经费支持。