【產(chǎn)通社，1月3日訊】清華大學(xué)新聞中心（Tsinghua University News Center）官網(wǎng)消息，具有優(yōu)異電學(xué)特性的石墨烯、二硫化鉬等二維材料因其所有原子裸露在外，對外界環(huán)境的變化極為敏感，利用這些特性，目前已成功開發(fā)石墨烯霍爾傳感器并應(yīng)用于航空航天、量子計算等高精尖領(lǐng)域。而具有進行準(zhǔn)確即時診斷潛力的石墨烯生物傳感器尚處于研發(fā)階段。目前常用的濕法轉(zhuǎn)移制備工藝與半導(dǎo)體工藝難以兼容，所用有機支撐層、金屬刻蝕劑等易造成化學(xué)雜質(zhì)殘留，限制了石墨烯生物傳感器器件產(chǎn)率和傳感性能。在絕緣或半導(dǎo)體等介質(zhì)基底上無金屬催化劑直接生長二維材料有望解決這一難題。

近日，清華大學(xué)材料學(xué)院符汪洋副教授和松山湖材料實驗室許智研究員合作在四英寸硅晶圓上使用等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）的方法直接生長石墨烯，無需金屬催化劑，成功構(gòu)建了高產(chǎn)率（328/384）的石墨烯場效應(yīng)晶體管（GFET）生物傳感器芯片。電學(xué)測試表明這些GFET器件的電阻、載流子遷移率和傳輸特性曲線具有良好的一致性。

進一步制備的生物傳感器在實驗室測試條件下表現(xiàn)出超靈敏的性能，能夠檢測稀釋到亞飛摩爾濃度的SARS-CoV-2病毒核衣殼蛋白（N蛋白）抗原，與基于濕法轉(zhuǎn)移的高質(zhì)量石墨烯生物傳感器檢測限（LOD）相當(dāng)。噪聲頻譜分析表明，通過器件結(jié)構(gòu)與面積的優(yōu)化，PECVD石墨烯具備足夠優(yōu)異的噪聲性能，而其LOD主要受制于傳感器漂移。長期以來，人們普遍認(rèn)為石墨烯在直接生長過程中形成的缺陷所造成的電學(xué)特性退化將導(dǎo)致非理想的傳感性能，該結(jié)果澄清了這一疑惑。

本研究選取三種與SARS-CoV-2病毒相關(guān)的蛋白——人體血管緊張素-2（ACE-2）、S1刺突蛋白、S1刺突蛋白抗體（S1Ab）作為對照組進行檢測，表明所制備的GFET傳感器具備較好的檢測特異性。為驗證所制備GFET傳感器的臨床應(yīng)用性能，研究人員將COVID-19患者的咽拭子樣本（稀釋前PCR測試中樣本ORF1ab基因和N基因的CT值分別為29.054和28.740）和用于對照的健康人樣本分別稀釋10倍（0.1×，pH=7.55）和100倍（0.01×，pH=7.24）加入GFET生物傳感器測試，在無需前期標(biāo)記或擴增的條件下得到了足以分辨的信號，由此驗證了PECVD直接均勻生長在晶圓上的石墨烯用于高產(chǎn)率、高靈敏生物傳感器芯片的可行性。

相關(guān)研究成果以“硅晶圓上直接生長石墨烯實現(xiàn)高靈敏生化傳感平臺”（Ultrasensitive biochemical sensing platform enabled by directly grown graphene on insulator）為題，于12月17日在線發(fā)表在納米領(lǐng)域知名期刊《微尺度》（Small）上。

該論文的通訊作者為符汪洋和許智。論文的第一作者為清華大學(xué)材料學(xué)院2020級博士生經(jīng)求是和松山湖材料實驗室劉俊江（現(xiàn)聯(lián)合微電子中心有限責(zé)任公司工程師）。首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京佑安醫(yī)院副研究員王文敬、主任醫(yī)師任姍，首都醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院教授張曉艷等為論文工作作出了重要貢獻。該研究得到國家自然科學(xué)基金、清華-佳能醫(yī)療國際科技合作等項目的支持。

查詢進一步信息，請訪問官方網(wǎng)站http://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/109025.htm，以及http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202305363。（Robin Zhang，產(chǎn)通數(shù)造）    （完）