具备优秀电学特征的石墨烯、二硫化钼等二维质料因其所有原子裸露于外，对于外界情况的变化极其敏感，使用这些特征，今朝已经乐成开发石墨烯霍尔传感器并运用在航空航天、量子计较等高精尖范畴。而具备举行正确即时诊断潜力的石墨烯生物传感器尚处在研发阶段。今朝经常使用的湿法转移制备工艺与半导体工艺难以兼容，所用有机支撑层、金属刻蚀剂等易造成化学杂质残留，限定了石墨烯生物传感器器件产率及传感机能。于绝缘或者半导体等介质基底上无金属催化剂直接生长二维质料有望解决这一难题。

近日，清华年夜学质料学院符汪洋副传授及松山湖质料试验室许智研究员互助于四英寸硅晶圆上利用等离子体加强化学气相沉积（PECVD）的要领直接生长石墨烯，无需金属催化剂，乐成构建了高产率（328/384）的石墨烯场效应晶体管（GFET）生物传感器芯片。电学测试注解这些GFET器件的电阻、载流子迁徙率及传输特征曲线具备优良的一致性。

图1.直接于介质基底上快速生长的无金属催化剂石墨烯，实现了高产率的高机能生物传感器芯片建造（四英寸晶圆，328/384）

进一步制备的生物传感器于试验室测试前提下体现出超敏捷的机能，可以或许检测稀释到亚飞摩尔浓度的SARS-CoV-2病毒核衣壳卵白（N卵白）抗原，与基在湿法转移的高质量石墨烯生物传感器检测限（LOD）相称。噪声频谱阐发注解，经由过程器件布局与面积的优化，PECVD石墨烯具有充足优秀的噪声机能，而其LOD重要受制在传感器漂移。持久以来，人们遍及认为石墨烯于直接生长历程中形成的缺陷所酿成的电学特征退化将致使非抱负的传感机能，该成果澄清了这一迷惑。

图2.GFET传感器检测SARS-CoV-2病毒N卵白抗原和噪声频谱测试。（a）及（b）插手10 aM至1 nM浓度N卵白溶液时狄拉克点挪动量△VCNP的变化；（c）液栅电压从0 V至0.6 V时GFET的噪声功率谱密度（PSD）；（d）转移特征曲线（黑）, 归一化噪声强度A（红）及推算理论检测限（蓝）

本研究拔取三种与SARS-CoV-2病毒相干的卵白——人体血管紧张素-2（ACE-2）、S1刺突卵白、S1刺突卵白抗体（S1Ab）作为比照组举行检测，注解所制备的GFET传感用具备较好的检测特异性。为验证所制备GFET传感器的临床运用机能，研究职员将COVID-19患者的咽拭子样本（稀释前PCR测试中样本ORF1ab基因及N基因的CT值别离为29.054及28.740）及用在比照的康健人样天职别稀释10倍（0.1×，pH=7.55）及100倍（0.01×，pH=7.24）插手GFET生物传感器测试，于无需前期标志或者扩增的前提下获得了足以分辩的旌旗灯号，由此验证了PECVD直接匀称生长于晶圆上的石墨烯用在高产率、高敏捷生物传感器芯片的可行性。

图3.GFET传感器特异性和咽拭子样本检测。（a）将差别浓度的 ACE-二、S一、S1Ab 卵白溶液插手N卵白抗体功效化GFET三木SEO-传感器时的变化。（b）1 pM浓度ACE-二、S一、S1Ab及N卵白溶液的变化比力。（c） COVID-19患者样本与康健人样本（均稀释至 0.01×）的及时|ΔIds/Ids|旌旗灯号相应。（d）COVID-19患者样本与康健人样本（均稀释至 0.1×）的及时|ΔIds/Ids|旌旗灯号相应

相干研究结果以“硅晶圆上直接生长石墨烯实现高敏捷生化传感平台”（Ultrasensitive biochemical sensing platform enabled by directly grown graphene on insulator）为题，在12月17日于线发表于纳米范畴知名期刊《微标准》（Small）上。

该论文的通信作者为符汪洋及许智。论文的第一作者为清华年夜学质料学院2020级博士生经求是及松山湖质料试验室刘俊江（现结合微电子中央有限责任公司工程师）。首都医科年夜学从属北京佑安病院副研究员王文敬、主任医师任姗，首都医科年夜学药学院传授张晓艳等为论文事情作出了主要孝敬。该研究获得国度天然科学基金、清华-佳能医疗国际科技互助等项目的撑持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202305363

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