济南大学张丛丛副教授、刘宏教授、山东大学韩琳教授AFM综述：石墨烯场效应晶体管在生物检测领域的最新进展

摘要

本综述从石墨烯卓越的结构及材料特性入手，对石墨烯场效应晶体管（GFET）的独特性能和其生物传感器件的评价参数进行了分类和总结。详细讨论了基于石墨烯场效应晶体管（GFET）的生物传感器的最新进展，总结了从工作原理和 “3S”（稳定性、灵敏度和特异性）方面提高基于 GFET 的生物传感器性能的各种最新方法和基于 GFET 的生物传感器的多重检测策略。我们希望这篇文章能深刻阐明 GFET 生物传感器的发展，并对更多读者有所启发。

文章简介

生物传感器是一种高性能的分析设备，它集成了生物学、化学、物理学、医学和电子学的概念，用于检测生物物质并将其浓度转换为电信号。场效应晶体管（FET）具有独特的三端结构，可以通过调整任何一个元件的参数来调制电信号，这为其在生物传感领域的应用奠定了坚实的基础。石墨烯作为一种独特的二维材料，具有多种显著特性（光学特性、电学特性、生物相容性），有望用于先进的电子和生物检测设备。此外，与其他相比众多二维材料相比，它还具有优异的化学可调性，，这促使人们开发出各种衍生物，如氧化石墨烯 (GO)、还原氧化石墨烯 (RGO)、石墨烯纳米带和功能化石墨烯。 这些衍生物可通过溶液处理方法进行大规模生产，并可通过简单的光刻技术图案化成晶体管阵列。另外，石墨烯衍生物在不同的物理化学条件下也可表现出不同的电学特性，因此在同一器件中既可用作电极，又可用作半导体材料，从而无需使用贵金属作为电极。这种器件不仅能降低制造成本，还能增强电极和半导体材料之间的能级匹配，降低接触电阻，提高器件的电气性能。 鉴于这些优异的特性，GFET成为一个出色的生物传感器平台。

本文系统地探讨基于 GFET 的生物传感器的演变和最新进展（图 1）。讨论分为几个主要部分： 首先，我们介绍场效应晶体管的基本概念和固有特征，特别关注 GFET 的独特性能以及 GFET 生物传感器的评价参数。接下来，我们将研究 GFET 如何发挥生物传感器的功能，重点关注传感机制的具体方面。随后，我们介绍了具有代表性的实例，这些实例强调了提高基于 GFET 的生物传感器性能的成功策略。然后，在多学科方法优势的指导下，我们深入探讨了使用 GFET 阵列进行多通道检测的最新进展。最后，我们预测了这一领域的未来发展方向。与现有的基于场效应晶体管的生物传感器综述不同，本综述从传感机制和 3S 策略（稳定性、灵敏度和特异性）的角度研究 GFET 生物传感器。重点介绍了 GFET 生物传感器的高性能构建方法及其在多通道检测中的应用。它提供了一个全面、创新的视角，对开发高质量、多通道 GFET 生物传感器的研究做出了重要贡献。我们希望这些讨论有助于未来石墨烯场效应晶体管生物传感器的研究。

图 1. 基于石墨烯场效应晶体管的生物传感器的电学特性、传感机制、优化策略和多重检测策略

1 FET结构

典型的场效应晶体管由半导体层和三个电极组成：源极、漏极和栅极。半导体层位于源极和漏极之间。栅极电极与半导体层之间由栅极电介质隔开，实际上形成了一个平行板电容器。根据栅极的位置及其与半导体层的相对位置，常见的场效应晶体管可分为四种结构类型：顶栅顶接触、顶栅底接触、底栅顶接触和顶栅底接触，如图 2 所示。

图 2. 四种类型的FET

2 GFET的独特性能

GFET 是一种利用石墨烯作为活性半导体材料的独特 FET。与传统的半导体层材料不同，石墨烯由单层蜂窝晶格结构组成。这种结构由碳原子通过 sp² 杂化以紧密排列的方式连接而成。理想的石墨烯薄片具有对称的能带结构，锥形价带和导带对称地位于费米能级上下，在狄拉克点交汇。由于其独特的结构，石墨烯表现出非凡的载流子传输能力，这赋予了 GFET 独特的电气特性，如双极特性、独特的输出饱和行为和相对较低的开关比。这些双面特性为进一步的研究和应用带来了挑战和机遇。

图 3. 单层石墨烯的能带结构

3 GFET生物传感器传感机理

一般来说，生物分子与石墨烯之间的电荷转移和门控是基于 GFET 的生物传感器的两种主要传感机制，不过有些生物传感器也利用电荷散射来解释生物传感过程。无论这些机制如何复杂，一般都离不开直接和间接响应，这取决于分析物与沟道半导体的相互作用方式。在大多数 GFET 生物传感器中，采用直接响应的传感机理即：石墨烯半导体层直接暴露于生物分析物并直接对分析物做出反应。在这个过程中石墨烯层既是生物传感的响应层，也是电荷转移的晶体管通道。一般来说，这种器件结构简单，传感机制易于理解，传感性能相对令人满意，因此备受关注。然而引入的分析物只能与半导体相互作用，通过掺杂实现生物信号到电信号的转换。其不涉及栅极电极，限制了通过栅极电压调节放大传感信号的可能性，制约了灵敏度的提高。因此，适当调整器件结构，利用栅极作为传感元件，是提高石墨烯 FET 生物传感器传感性能的另一个重要策略。在这种情况下，由于分析物的电荷主要影响栅极电极，从而导致栅极电压发生变化，源漏电流在电场的作用下被放大，从而大大提高了灵敏度。 这为具有不同机制的石墨烯 FET 生物传感器提供了新的途径，我们可以将这一概念称为间接响应-静电门控。

图 4. 分析物与GFET之间间接响应的静电栅控机制

4 “3S”策略提高GFET生物传感器性能

在生物传感领域，提高GFET生物传感器的传感性能至关重要。在此，我们重点讨论了通过“3S”（稳定性、灵敏度和特异性）方面提高基于 GFET 的生物传感器性能的各种最新方法。首先，对于提高GFET生物传感器的稳定性，可以通过优化石墨烯质量、利用共价键合相互作用和阻断水溶液诱导石墨烯降解来实现。其次，对于提高GFET生物传感器的灵敏度，可以通过克服德拜长度限制、石墨烯表面改性、利用石墨烯三维结构来实现。最后，对于提高GFET生物传感器的特异性，可以通过使用特殊的生物探针、钝化策略来实现。

图 5. 克服德拜长度的限制，提高 GFET 生物传感器的灵敏度

5 基于 GFET 的生物传感器的多重检测策略

GFET 阵列的固有特性，如高灵敏度、高特异性、实时监测、微型化和高度集成，为多重检测提供了巨大优势。石墨烯 GFET 阵列用于多重检测的优势包括高度集成、多通道检测能力、高灵敏度和特异性、强大的数据处理能力以及便携性。因此，我们利用了一个专门的章节来介绍用于多路检测的石墨烯传感阵列。详细介绍了石墨烯 GFET 两种阵列：静态和有源矩阵阵列，并且介绍了结合人工智能和微加工技术的GFET 阵列的实际应用。

图 6. 结合人工智能和微加工技术的 GFET 阵列的实际应用。

6 展望

尽管迄今为止取得的重大进展大大推动了基于 GFET 的生物传感器的潜在应用，但生产同时满足高性能、高集成度和耐磨性要求的生物传感器仍然是一项艰巨的挑战。我们需要不断提高基于 GFET 的生物传感器的整体质量，并将其与先进技术相结合，以实现广泛的实际应用。根据我们的研究结果，有几个关键方面仍将是该领域的主要课题，应认真加以考虑和解决。它们分别是 GFET 生物传感器性能的提高、GFET 生物传感器器件通用性、高度集成的 GFET 生物传感平台、GFET 可穿戴生物传感器、结合微流控技术的 GFET 生物传感器、结合数字化技术的石墨烯场效应晶体管生物传感器。

论文信息

Recent Advances in Graphene Field-Effect Transistor Toward Biological Detection

Mingyuan Sun, Congcong Zhang*, Shan Lu, Shahid Mahmood, Jian Wang, Chunhui Sun, Jinbo Pang, Lin Han*, Hong Liu*

DOI: 10.1002/adfm.202405471

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202405471

通讯作者介绍

张丛丛副教授简介：张丛丛，毕业于天津大学，理学博士。现为济南大学前沿交叉科学研究院副教授，前沿交叉科学研究院细胞诊疗团队成员，硕士生导师。主要研究方向为先进功能超分子纳米材料组装及其在传感器构建/重大疾病的早期诊疗/细胞诊疗等方面应用研究。获得国家自然科学基金和山东省自然科学博士基金等国家省部级项目资助。在包括Advanced Materials, Chemical Society Reviews, InfoMat,Advanced Functional Materials, Nano Energy, Nano-Micro Letters, Small等重要学术期刊上发表SCI论文30余篇，1篇论文被评为ESI高被引TOP1%论文，引用超过2000次，H因子11；获得国家授权发明专利十余项。受邀担任Sensors客座编辑，组织了“Novel Field-Effect Transistor Biosensing”主题专刊，荣获Weily中国开放科学高贡献作者称号。学术兼职：Advanced Functional Materials，Advanced Science，Nano Energy， Nano-Micro Letter等学术期刊特邀审稿人， BMEmat期刊青年编委。在2019年新加坡ICMAT会议上做墙报展示，2023年第十九届全国晶体生长与材料大会做分会邀请报告。

韩琳教授，山东大学海洋研究院/集成电路学院教授，博士生导师，山东大学杰出中青年学者，齐鲁青年学者，山东省杰出青年基金获得者。主要研究方向：面向生命健康和海洋环境监测的新型生物传感芯片与系统研发，开发了10余种国际先进水平的生物芯片。

刘宏教授，山东大学晶体材料国家重点实验室材料科学系教授。2001年获山东大学博士学位。目前主要研究方向为纳米结构能量材料、生物传感器、生物材料和组织工程，特别是干细胞与纳米结构生物材料的相互作用。他被列入Clarivate Analytics 2018-2021年高引用研究人员名单。

第一作者介绍：

孙铭远于 2021 年获得济南大学交叉学科高等研究院（IAIR）硕士学位。2021 年至今，在山东大学海洋研究院攻读博士学位。她的研究方向是石墨烯薄膜效应晶体管的制备及其在生物传感领域中的应用。