l-AP/PEG-CNM GFET 传感器的制造步骤示意图。来源：《先进材料》（2024 年）。DOI: 10.1002/adma.202407487
石墨烯等二维材料不仅超薄，而且灵敏度极高。因此，研究人员多年来一直在努力开发利用其特性的高灵敏度生物传感器。
例如，基于石墨烯的场效应晶体管可以记录分子与原子薄层相互作用时所引起的电子特性的最微小变化。然而，迄今为止，这种材料的超敏性阻碍了这一想法的实际实现。
德国耶拿弗里德里希-席勒大学的科学家们现已开发出一种克服这一障碍的方法，有可能为诊断技术的革命铺平道路。他们将研究成果发表在《先进材料》（Advanced Materials）研究杂志上。
与其他生物传感器一样，基于石墨烯的生物传感器也需要一个功能化表面，只有特定的分子才能附着在该表面上。例如，如果要从血液或唾液样本中检测特定的生物标记物，就必须在传感器表面涂上相应的对应物–即所谓的捕获分子。
问题在于：”如果直接对石墨烯进行功能化处理，其电子结构会发生不利的变化，”耶拿大学的 Andrey Turchanin 教授博士解释道。”这样，石墨烯就不再是石墨烯了–你真正想要利用的特定电子特性也就不复存在了”。构成这种生物传感器高灵敏度的参数–例如电荷载流子的迁移率–受到的影响太大。
通过分子中间层实现功能化
不过，Turchanin 和他的团队与来自工业、研究和医学领域的合作伙伴一起，现在已经开发出了一种不受干扰地对石墨烯进行功能化的方法。”我们在石墨烯上应用了一层分子碳膜，它和石墨烯一样薄，只有一纳米。Turchanin 解释说：”这个中间层是介电的，也就是说它不导电。
“这两种成分通过所谓的范德华力相互连接，形成了一种异质结构，我们能够在不影响石墨烯电子特性的情况下对其进行功能化”。
这是因为化学活性官能团可以不受干扰地应用于分子中间层，在分子中间层上可以附着任何数量的不同捕获分子。当所需的对应分子附着时，它们会将电场传输到石墨烯上，从而改变这种材料的电信号，而不会影响其特性。
调查复杂的临床样本
作为捕获分子，研究人员在分子中间层的化学活性官能团上配备了人工生产的aptamers，这种aptamers可以非常有针对性地结合特定分子。他们还在碳纳米膜上添加了一层聚乙二醇蛋白质排斥层，这是一种常用于医药领域的合成聚合物。聚乙二醇是一种常用于医药领域的合成聚合物，它能防止一些不想要的东西吸附在表面。这样，就能在复杂的生物样本中找到所需的生物标记物。
通过这一实验装置，耶拿的专家们成功地检测到了趋化因子–一类在人体免疫系统中发挥重要作用的蛋白质，因此在疾病诊断中可以作为生物标志物发挥重要作用。
安德烈-图尔恰宁说：”得益于与荷兰一家医学实验室的合作，我们在这些实验中使用了真正病人的鼻拭子样本。”更重要的是，我们开发的石墨烯传感器不仅可以用来寻找一种生物标志物，还可以用来寻找数百种生物标志物。
更灵敏、更快速、更便宜
凯泽说：”这项研究成果可能对未来的诊断技术具有开创性意义，因为我们已经扫除了石墨烯生物传感器发展道路上的一大障碍，这种传感器比目前正常临床应用领域使用的任何传感器都要有效得多。”凯撒说：”它的灵敏度要高得多，速度也快得多–五分钟左右就能得到结果，而且如果大量生产，成本效益也很高。
其测量原理纯粹是电学原理–电流的变化本身就表明是否发现了所寻找的生物标志物。因此，这种生物传感器可以很容易地与方便的护理点设备相结合，融入日常临床实践中。”Turchanin说：”我们的手机甚至都有可能做到这一点。
文献信息
David Kaiser et al, Ultrasensitive Detection of Chemokines in Clinical Samples with Graphene‐Based Field‐Effect Transistors, Advanced Materials (2024).
DOI: 10.1002/adma.202407487
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