最新成果 | 宾夕法尼亚大学David Issadore教授团队：石墨烯霍尔传感器在全血磁传感微流控平台上的高度稳定集成

宾夕法尼亚大学David Issadore教授团队开发出兼容CMOS的石墨烯霍尔传感器，集成微流体用于血液中的磁传感。作者证明了这些石墨烯μHD可以达到已发表的最佳μHD的性能水平，并且可以被钝化以用于全血的稳健使用。

本文亮点

1、在微流控平台上开发了CMOS兼容集成石墨烯霍尔传感器；

2、磁性琼脂糖珠(作为细胞模型)的概念验证检测，流速高达3ml /hr；

3、微流体-微电子混合系统在血液中稳定运行39小时。

研究背景

血液中稀有细胞的检测是困难的，因为高背景下的低目标数阻碍了纯化技术的使用。实现高对比度的一种方法是通过免疫磁标记和细胞检测，因为生物液体如血液，淋巴，唾液等具有可忽略的磁化率。此外，材料科学和微电子技术的进步允许小型化磁传感器，可以在与电池相同的尺寸尺度上制造高精度磁传感器。为了在液体活检中检测这些磁性目标，使用微流体通道使目标在磁场传感器附近流动，从而可以逐个检测每个目标。这种串行检测的一个缺点是，为了产生稀疏目标检测的确定性，需要分析大量的液体活检，从而严重限制了单个传感器的吞吐量。并行传感提供了一种在不牺牲灵敏度的情况下提高吞吐量的方法，并且可以通过目前部署在集成电路中的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术来实现。为了利用混合微流体-微电子系统的潜力，磁传感器需要以一种可靠的方式钝化，以保护电子设备免受离子流体的影响，但也要与复杂的CMOS芯片制造工艺兼容。此外，由于杂散磁场作为d³的函数而减小，因此需要最小化钝化层厚度。通过将霍尔传感器(由石墨烯(一种具有理想电子特性的单原子碳层)制成的对磁通量线性响应的传感器)与采用双层钝化策略的软光刻微流体相结合，作者的目标是制造用于全血目标磁检测的高稳定性磁传感器。

微霍尔探测器(μHDs)具有良好的灵敏度和线性特性，在稀有细胞检测中具有广阔的应用前景。与核磁共振等技术相比，它们可以更容易地扩展到单细胞体积，而核磁共振在应用于细胞大小的体积时信噪比较低。与单个细胞大小相匹配的小测量体积对于减少未与细胞结合的磁性纳米颗粒(MNPs)的影响至关重要。虽然GMR传感器在狭窄的动态范围内具有极高的灵敏度，但霍尔传感器即使在需要完全磁化磁性纳米颗粒标签并产生更高对比度的大磁场(>0.1 T)下也能以线性磁响应工作。由于这些霍尔传感器依赖于连续询问每个细胞，因此它们的吞吐量至关重要，因为识别稀有细胞需要大量的样本量。此外，微尺度通道容易堵塞，特别是对于全血样本，因为传感器的尺寸必须接近细胞的尺寸，以确保一致的细胞检测。制造大量的μHD阵列，使得多个细胞流可以并行检查，并且任何一个通道的阻塞都不会阻止整个设备的操作，可以实现高吞吐量。由于每个μHD必须每秒采样数十万次以检测流中通过的细胞，因此这些传感器阵列需要片上逻辑，触发，多路复用和硅CMOS芯片提供的模数转换。传统的CMOS霍尔传感器是在芯片表面以下几微米的有源硅层上实现的，但是这个距离降低了灵敏度，因为标记细胞的杂散磁场减少为1/d³，其中d是从细胞中心到μHD的距离。二维材料(2DM)已经成为将高传感性能与CMOS集成相结合的有前途的平台，因为它们可以生长并直接转移到CMOS芯片的顶部。石墨烯由于其相对成熟的合成和转移技术、极高的室温载流子迁移率和后门电压可调性而特别具有吸引力。石墨烯μHD的性能已经超越了半导体霍尔传感器和新兴的2DM。石墨烯μHD之前已经在混合系统中与CMOS集成，其中石墨烯放置在IC顶部并与外部电路板电连接。然而，尽管这种组合系统具有令人信服的优势，但石墨烯μHD尚未与CMOS技术结合用于流磁传感。

为了评估石墨烯作为高灵敏度CMOS兼容磁传感器的有效材料，作者开发了一种制造策略，使石墨烯霍尔传感器(μGS)能够与微电子和微流体元件相结合，并检测复杂生物流体中通过的磁珠。重要的是，作者已经开发了使用μGS多层钝化的制造策略，允许在多个小时内检测通过的珠子的磁场，而不会对复杂的背景(如全血)敏感。作者首先使用化学气相沉积法(CVD)生长石墨烯，将其转移到硅芯片上，并在μGS阵列上光刻图案。接着采用氧化硅和氮化硅两步封装μGS传感器阵列，以保护石墨烯免受离子生物流体的影响，从而在全血中实现长期稳定的传感。随后，使用氧等离子体激活键合将具有软光刻定义微流控通道的PDMS芯片对准并不可逆地键合到硅芯片上。作者证明了混合微流体-微电子系统在人血浆中连续工作39小时的稳定性。文章使用磁性琼脂糖珠作为检测生物复杂流体中磁性颗粒的模型系统，表征了作者的装置在牛血清白蛋白(BSA)和全血细胞中的传感性能。正如文献中常见的那样，作者使用微珠作为细胞模型，因为它们可以提供受控的磁信号，使该技术能够独立评估，而不会被免疫磁标记细胞的细胞间变异性所混淆。作者观察到在全血和牛血清中检测头的信噪比(SNR)无统计学差异，进一步验证了μGS在复杂生物体液中的性能。概念验证结果为将石墨烯霍尔元件集成到后期制造的CMOS集成电路中用于高通量检测稀有细胞奠定了基础。

图文导读

图1（文内图2）μGS器件制作。a.石墨烯通过化学气相沉积(CVD)在铜箔上生长。b.石墨烯薄片被转移到带有Ti/Au电极的硅芯片上。c.使用光刻技术对石墨烯进行图案化以创建μGSs。d.先用一层HSQ钝化μGSs，再用CVD钝化一层Si₃N₄。e. PDMS微流体通道被等离子体连接到钝化层上。f.图案化石墨烯与金属电极接触的SEM图像。在蓝光下拍摄的设备照片，显示了微流体通道和管道。

微电子器件之间的钝化过程是一个多步骤的过程，首先通过低压化学气相沉积(CVD)工艺生长石墨烯(图2a)。生长的单层石墨烯使用气泡转移方法转移到带有预制金电极的芯片上(图2b)，该芯片在硅片上制备了280 nm的热生长SiO₂层。电极是用升离和电子束蒸发用光刻技术定义的。采用正阻光刻技术和氧等离子体蚀刻技术对石墨烯片进行光刻处理(图2c)，得到双交叉霍尔棒的长度和宽度分别为70 μm和28 μm，每条臂的宽度为8 μm。石墨烯传感器的扫描电镜图像证实了电极顶部存在完整的石墨烯层(图2f)。石墨烯图案化后，器件在H₂/Ar中退火以消除光刻胶残留。退火后，用300 nm的硅氧烷氢(HSQ)自旋包覆石墨烯，80℃烘烤4分钟，然后通过化学气相沉积沉积140 nm的氮化硅(Si₃N₄)(图2d)。微流体采用标准软光刻技术(宽50 μm，高50 μm，有一个入口和一个出口)制作，并直接集成在μGS芯片上。该通道的模具是用UV光刻技术在硅片上制作的，并将以1:10的固化剂和弹性体的比例制备的PDMS倒在上面，并在65°C下烘烤2小时。钝化后的μGS芯片和PDMS片采用掩模对准器进行等离子体粘接，使微流控通道和μGS对准(图2e)。用于输入和输出的流体管连接到PDMS，并且使用正压驱动流量(图2g)。

图2（文内图5） 石墨烯μGS器件在血浆中的稳定性。四个HSQ – Si₃N₄封装的设备中有两个(红色表示)在暴露于血浆32小时后失效，另外两个(蓝色表示)在46小时后失效，平均失效时间为39小时。黄色背景表示施加外磁场时，粉红色背景表示移除磁场时。

作者通过量化传感器与血浆接触时μGS磁场响应的稳定性来表征封装方法的有效性，使用血浆作为稳定性测量的介质，以捕获血液的离子特性，而不引入非流动系统中细胞沉降的问题。文章比较了各种钝化方法，并测量了每种方法的传感器失效的平均时间T_fail。T_fail被量化为传感器与血浆接触的时间，直到磁场响应下降超过90%。高温HSQ和Si₃N₄双层材料的使用达到了T_fail = 39小时。这种组合比其他几乎立即失败的封装策略要好几个数量级。高温HSQ/高温Si₃N₄器件在39±4小时后失效。故障可变性是通过单个芯片上所有四个传感器记录的平均故障的标准偏差来测量的。

图3（文内图6） 石墨烯μGS在复杂介质中的性能表征。BSA和血液之间的绝对敏感性测量值无显著差异(双尾Student ‘s t检验;p=0.0755) b. B_min测量值在BSA和血液之间没有显著差异(双尾学生t检验;p = 0.3181)。c.在1 mL/hr和3 mL/hr时，BSA和血液之间磁性琼脂糖珠的信噪比测量没有显著差异(双尾学生t检验;p = 0.7439, p = 0.7692)。d.在40秒的过程中，头部发出信号，并从一个代表性的头部放大VH。

在进行反向扫描并确定VH最大(17 V)的Vg偏置后，作者测量了μGS在BSA和血液中的反向调谐灵敏度分别为464.48 mVT^-1和439.82 mVT^-1，高于CMOS -石墨烯芯片和基于2deg的霍尔传感器的灵敏度。此外，BSA和稀释血的绝对敏感性之间的差异无统计学意义(双尾学生t检验;p=0.0755)(图6a)。作者还测量了该装置在流动BSA和稀释血液时的噪声谱，计算出相关带宽为3 kHz时的B_min分别为5.115 μT/√Hz和4.990 μT/√Hz。两种液体中B_min的差异也无统计学意义(双尾学生t检验;p=0.3181)(图6b)。为了在临床相关的生物体液中检测μGS，作者制备了47 μm琼脂糖(FF-AG)微球，负载铁磁流体，可以刺入BSA和血液中并通过该装置。作者使用47 μm磁珠，这样就可以独立评估传感器检测通过磁性材料的性能，而不会受到微通道中磁珠位置变化的干扰。此外，传感器从47 μm琼脂糖珠中检测到的杂散场与标记为5×10⁴ 50-nm磁性纳米颗粒的12 μm细胞的杂散场相匹配。在这些实验中，使用牛血清白蛋白和全血作为流动介质，可以捕获临床样品中常见的离子、蛋白质聚集体和背景细胞的影响。BSA在1 mL/hr时的信噪比为104.5 AU或20.2 dB, 25%稀释血液的信噪比为121.0 AU或21.0 dB，两者之间的差异也无统计学意义(图6c)。悬浮在稀释过的血液中的FF-AG微珠和单个FF-AG微珠通过μGS的信号分别如图6d所示。

作者简介

第一作者：

Nishal Shah，宾夕法尼亚大学生物工程系。

Vasant Iyer，宾夕法尼亚大学电气与系统工程系。

通讯作者：

David Issadore，宾夕法尼亚大学生物工程系。