高灵敏度大面积石墨烯生物传感器在自动化传感平台中的集成

研究背景

石墨烯是一种原子级薄的碳层，对环境变化高度敏感，包括生物分子相互作用和电荷转移。这种敏感性源于其出色的表面体积比和可调谐的电子迁移率，以响应带电部分的吸附。微米级石墨烯传感器的传统制造技术在工业环境中实施成本高昂且具有挑战性，限制了其广泛采用。通过化学气相沉积(CVD)在铜箔上生产石墨烯，然后将其干净地转移到感兴趣的衬底上，这大大促进了石墨烯晶体管和传感器件的发展。这一创新为使用大面积石墨烯制造灵敏度更高、检测限更低的生物传感器铺平了道路。这样的改进使得即使在复杂的样品中也能准确地检测目标痕量分析物。尽管取得了这些进展，石墨烯的超高导电性和低电阻率仍有很大的应用潜力，可以增强为电生理实验量身定制的自动移液平台。

研究内容

本文旨在通过将大面积石墨烯传感器集成到现有的固体支撑膜技术中来弥合这一差距。石墨烯的集成显著增强了该平台在高通量水平上进行离子敏感测量的能力，从而能够快速检测多种分析物。这对于在可靠性和稳定性非常重要的领域推进传感器技术至关重要，如生物技术、医疗保健、环境监测和食品安全。通过实现CVD生长石墨烯的湿化学转移协议，我们实现了基于石墨烯的生物传感器，并探索了它们对各种分析物和不同条件的反馈，包括离子强度和浓度的变化，以及蛋白质和ssDNA的吸附。

该传感器被构建为具有三个金属电极的SGFET(图1A)。用参考电极代替传统栅极，有效地使阈值电压响应于两者的界面电位。电解质栅极和电解质-半导体接口。因此，界面电位的任何变化都会导致半导体电导率的明显变化。EDL的第一层由与可极化石墨烯电极中电荷相反的离子组成，而第二层由带正电荷和负电荷的离子组成，这些离子逐渐达到远离电极的溶液的电位(图1B)。在CNP中，量子电容达到最小值，因为石墨烯中的态密度是最低的。低量子电容导致极小的传导，并在SGFET实验中形成特征v形的底部。当栅极电压远离CNP时，EDL电容超过量子电容，这增加了总电容并使更多载流子的加入成为可能。这导致电导增加，形成在输出图中观察到的v形臂。然后将洗过的石墨烯样品与干净的PET衬底舀在一个方向上，允许顶部的两个金电极接触(见图1C)。退火过夜后，通过在丙酮中清洗三次五秒钟来去除PMMA，随后，在温和的氮气流下干燥血小板。整个工作流程如图1C所示。在没有电解栅的情况下，传感器(n=50)在空气中的平均两点电阻为1.7±0.25 kΩ，表明了器件生产过程的均匀性。

图1 石墨烯溶液门控场效应晶体管的基本结构及其电解双层模型和制造工艺

源极和漏极通过塑料外壳与电解液隔离，以防止栅极泄漏电流大，在施加栅极电压时器件性能不稳定。在PMMA去除之前和将其粘入塑料外壳之后，传感器血小板的照片如图2A-C所示。图2D中的激光扫描显微镜图像显示了石墨烯片的均匀性及其在源和漏节点上的方向。对于所有测量，传感器都放置在法拉第笼中(图2E)，以促进源和漏极从底部的电接触。溶液交换由提供的半自动移液机器人仪器执行(图2F)。

图2 组装传感器基板，光学图像的血小板和嵌入到传感平台

转移到PET上的石墨烯表现出p掺杂的特征，这与CVD生长的石墨烯通常观察到的一样。这解释了在1M KCl中，施加0.1 V的VDS时，CNP向正栅极电压(约0.2 V)移动的原因(见图3A)。源极漏极电压的增加使得CNP每增加100 mV，向更高的栅极电压方向移动53.0±1.5mV，如图3B所示。这种位移在空穴传导支路中保持不变，如图3A所示。CNP的VGS用于定量离子浓度，如图3C所示，用于检测从皮摩尔到摩尔的动态范围内的氯化钠。除了CNP的位置，曲线的形状也随着氯化钠浓度的变化而变化(图3C)。图3C描绘了狄拉克点随氯化钠浓度变化的变化。绘制狄拉克点作为钠浓度的函数，如图3D所示，可以获得器件的灵敏度(80 mV/dec)。同样，获得了钾浓度图(SI图3)，范围从10-1 M到10-10 M，灵敏度为每十年90 mV，检测限(LOD)为10-10 M。图3E还揭示了离子浓度的降低，这与源极/漏极电流的漂移增强有关。对这一现象的合理解释是稀释溶液中EDL的显著性降低。

图3 栅极电压扫描曲线线性拟合以及移液机器人的实时测量

总结与展望

本文基于石墨烯的传感器提高了传感器的实用性器件超越电容测量。石墨烯的可调表面特性促进了溶液门控离子敏感测量，可以采用不同的方法来理解生物传感器界面上的离子相互作用。我们通过使用氯化钾进行实时电流测量来证明这一点。我们的结果展示了传感器出色的灵敏度，与之前的发现相比，LOD增加了几个数量级，稳定性和在具有挑战性的环境下的弹性(例如，在不同pH值下的快速溶液交换)。利用石墨烯的最佳电荷中性和量子电容，我们利用界面特性来显着提高传感器性能。该系统的优势在于其能够提高传感器灵敏度，能够精确检测细微的电信号波动。将PET衬底集成到我们的石墨烯传感器平台中，可以提供可重复的信号，并提高成本效益，使我们的传感器在经济上可行且可扩展。此外，将石墨烯集成的SSME技术中，解决了该设备的一个重要限制，该限制将在未来的实验中得到解决-要求分离细胞并在其原始状态下破坏它们进行测量。基于石墨烯的传感器有助于在生物相容性石墨烯表面直接培养细胞或测量细胞膜碎片，保持其生理完整性，并提供更可靠的反映其自然生物状态的数据。

论文信息

Meincke M, Bazzone A, Holzhauser S, et al. Integration of highly sensitive large-area graphene-based biosensors in an automated sensing platform[J]. Measurement, 2025, 240: 115592.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.measurement.2024.115592