濟南大學張叢叢副教授、劉宏教授、山東大學韓琳教授AFM綜述：石墨烯場效應晶體管在生物檢測領域的最新進展

摘要

本綜述從石墨烯卓越的結構及材料特性入手，對石墨烯場效應晶體管（GFET）的獨特性能和其生物傳感器件的評價參數進行了分類和總結。詳細討論了基于石墨烯場效應晶體管（GFET）的生物傳感器的最新進展，總結了從工作原理和 “3S”（穩定性、靈敏度和特異性）方面提高基于 GFET 的生物傳感器性能的各種最新方法和基于 GFET 的生物傳感器的多重檢測策略。我們希望這篇文章能深刻闡明 GFET 生物傳感器的發展，并對更多讀者有所啟發。

文章簡介

生物傳感器是一種高性能的分析設備，它集成了生物學、化學、物理學、醫學和電子學的概念，用于檢測生物物質并將其濃度轉換為電信號。場效應晶體管（FET）具有獨特的三端結構，可以通過調整任何一個元件的參數來調制電信號，這為其在生物傳感領域的應用奠定了堅實的基礎。石墨烯作為一種獨特的二維材料，具有多種顯著特性（光學特性、電學特性、生物相容性），有望用于先進的電子和生物檢測設備。此外，與其他相比眾多二維材料相比，它還具有優異的化學可調性，，這促使人們開發出各種衍生物，如氧化石墨烯 (GO)、還原氧化石墨烯 (RGO)、石墨烯納米帶和功能化石墨烯。 這些衍生物可通過溶液處理方法進行大規模生產，并可通過簡單的光刻技術圖案化成晶體管陣列。另外，石墨烯衍生物在不同的物理化學條件下也可表現出不同的電學特性，因此在同一器件中既可用作電極，又可用作半導體材料，從而無需使用貴金屬作為電極。這種器件不僅能降低制造成本，還能增強電極和半導體材料之間的能級匹配，降低接觸電阻，提高器件的電氣性能。 鑒于這些優異的特性，GFET成為一個出色的生物傳感器平臺。

本文系統地探討基于 GFET 的生物傳感器的演變和最新進展（圖 1）。討論分為幾個主要部分： 首先，我們介紹場效應晶體管的基本概念和固有特征，特別關注 GFET 的獨特性能以及 GFET 生物傳感器的評價參數。接下來，我們將研究 GFET 如何發揮生物傳感器的功能，重點關注傳感機制的具體方面。隨后，我們介紹了具有代表性的實例，這些實例強調了提高基于 GFET 的生物傳感器性能的成功策略。然后，在多學科方法優勢的指導下，我們深入探討了使用 GFET 陣列進行多通道檢測的最新進展。最后，我們預測了這一領域的未來發展方向。與現有的基于場效應晶體管的生物傳感器綜述不同，本綜述從傳感機制和 3S 策略（穩定性、靈敏度和特異性）的角度研究 GFET 生物傳感器。重點介紹了 GFET 生物傳感器的高性能構建方法及其在多通道檢測中的應用。它提供了一個全面、創新的視角，對開發高質量、多通道 GFET 生物傳感器的研究做出了重要貢獻。我們希望這些討論有助于未來石墨烯場效應晶體管生物傳感器的研究。

圖 1. 基于石墨烯場效應晶體管的生物傳感器的電學特性、傳感機制、優化策略和多重檢測策略

1 FET結構

典型的場效應晶體管由半導體層和三個電極組成：源極、漏極和柵極。半導體層位于源極和漏極之間。柵極電極與半導體層之間由柵極電介質隔開，實際上形成了一個平行板電容器。根據柵極的位置及其與半導體層的相對位置，常見的場效應晶體管可分為四種結構類型：頂柵頂接觸、頂柵底接觸、底柵頂接觸和頂柵底接觸，如圖 2 所示。

圖 2. 四種類型的FET

2 GFET的獨特性能

GFET 是一種利用石墨烯作為活性半導體材料的獨特 FET。與傳統的半導體層材料不同，石墨烯由單層蜂窩晶格結構組成。這種結構由碳原子通過 sp² 雜化以緊密排列的方式連接而成。理想的石墨烯薄片具有對稱的能帶結構，錐形價帶和導帶對稱地位于費米能級上下，在狄拉克點交匯。由于其獨特的結構，石墨烯表現出非凡的載流子傳輸能力，這賦予了 GFET 獨特的電氣特性，如雙極特性、獨特的輸出飽和行為和相對較低的開關比。這些雙面特性為進一步的研究和應用帶來了挑戰和機遇。

圖 3. 單層石墨烯的能帶結構

3 GFET生物傳感器傳感機理

一般來說，生物分子與石墨烯之間的電荷轉移和門控是基于 GFET 的生物傳感器的兩種主要傳感機制，不過有些生物傳感器也利用電荷散射來解釋生物傳感過程。無論這些機制如何復雜，一般都離不開直接和間接響應，這取決于分析物與溝道半導體的相互作用方式。在大多數 GFET 生物傳感器中，采用直接響應的傳感機理即：石墨烯半導體層直接暴露于生物分析物并直接對分析物做出反應。在這個過程中石墨烯層既是生物傳感的響應層，也是電荷轉移的晶體管通道。一般來說，這種器件結構簡單，傳感機制易于理解，傳感性能相對令人滿意，因此備受關注。然而引入的分析物只能與半導體相互作用，通過摻雜實現生物信號到電信號的轉換。其不涉及柵極電極，限制了通過柵極電壓調節放大傳感信號的可能性，制約了靈敏度的提高。因此，適當調整器件結構，利用柵極作為傳感元件，是提高石墨烯 FET 生物傳感器傳感性能的另一個重要策略。在這種情況下，由于分析物的電荷主要影響柵極電極，從而導致柵極電壓發生變化，源漏電流在電場的作用下被放大，從而大大提高了靈敏度。 這為具有不同機制的石墨烯 FET 生物傳感器提供了新的途徑，我們可以將這一概念稱為間接響應-靜電門控。

圖 4. 分析物與GFET之間間接響應的靜電柵控機制

4 “3S”策略提高GFET生物傳感器性能

在生物傳感領域，提高GFET生物傳感器的傳感性能至關重要。在此，我們重點討論了通過“3S”（穩定性、靈敏度和特異性）方面提高基于 GFET 的生物傳感器性能的各種最新方法。首先，對于提高GFET生物傳感器的穩定性，可以通過優化石墨烯質量、利用共價鍵合相互作用和阻斷水溶液誘導石墨烯降解來實現。其次，對于提高GFET生物傳感器的靈敏度，可以通過克服德拜長度限制、石墨烯表面改性、利用石墨烯三維結構來實現。最后，對于提高GFET生物傳感器的特異性，可以通過使用特殊的生物探針、鈍化策略來實現。

圖 5. 克服德拜長度的限制，提高 GFET 生物傳感器的靈敏度

5 基于 GFET 的生物傳感器的多重檢測策略

GFET 陣列的固有特性，如高靈敏度、高特異性、實時監測、微型化和高度集成，為多重檢測提供了巨大優勢。石墨烯 GFET 陣列用于多重檢測的優勢包括高度集成、多通道檢測能力、高靈敏度和特異性、強大的數據處理能力以及便攜性。因此，我們利用了一個專門的章節來介紹用于多路檢測的石墨烯傳感陣列。詳細介紹了石墨烯 GFET 兩種陣列：靜態和有源矩陣陣列，并且介紹了結合人工智能和微加工技術的GFET 陣列的實際應用。

圖 6. 結合人工智能和微加工技術的 GFET 陣列的實際應用。

6 展望

盡管迄今為止取得的重大進展大大推動了基于 GFET 的生物傳感器的潛在應用，但生產同時滿足高性能、高集成度和耐磨性要求的生物傳感器仍然是一項艱巨的挑戰。我們需要不斷提高基于 GFET 的生物傳感器的整體質量，并將其與先進技術相結合，以實現廣泛的實際應用。根據我們的研究結果，有幾個關鍵方面仍將是該領域的主要課題，應認真加以考慮和解決。它們分別是 GFET 生物傳感器性能的提高、GFET 生物傳感器器件通用性、高度集成的 GFET 生物傳感平臺、GFET 可穿戴生物傳感器、結合微流控技術的 GFET 生物傳感器、結合數字化技術的石墨烯場效應晶體管生物傳感器。

論文信息

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

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202405471

通訊作者介紹

張叢叢副教授簡介：張叢叢，畢業于天津大學，理學博士。現為濟南大學前沿交叉科學研究院副教授，前沿交叉科學研究院細胞診療團隊成員，碩士生導師。主要研究方向為先進功能超分子納米材料組裝及其在傳感器構建/重大疾病的早期診療/細胞診療等方面應用研究。獲得國家自然科學基金和山東省自然科學博士基金等國家省部級項目資助。在包括Advanced Materials, Chemical Society Reviews, InfoMat,Advanced Functional Materials, Nano Energy, Nano-Micro Letters, Small等重要學術期刊上發表SCI論文30余篇，1篇論文被評為ESI高被引TOP1%論文，引用超過2000次，H因子11；獲得國家授權發明專利十余項。受邀擔任Sensors客座編輯，組織了“Novel Field-Effect Transistor Biosensing”主題專刊，榮獲Weily中國開放科學高貢獻作者稱號。學術兼職：Advanced Functional Materials，Advanced Science，Nano Energy， Nano-Micro Letter等學術期刊特邀審稿人， BMEmat期刊青年編委。在2019年新加坡ICMAT會議上做墻報展示，2023年第十九屆全國晶體生長與材料大會做分會邀請報告。

韓琳教授，山東大學海洋研究院/集成電路學院教授，博士生導師，山東大學杰出中青年學者，齊魯青年學者，山東省杰出青年基金獲得者。主要研究方向：面向生命健康和海洋環境監測的新型生物傳感芯片與系統研發，開發了10余種國際先進水平的生物芯片。

劉宏教授，山東大學晶體材料國家重點實驗室材料科學系教授。2001年獲山東大學博士學位。目前主要研究方向為納米結構能量材料、生物傳感器、生物材料和組織工程，特別是干細胞與納米結構生物材料的相互作用。他被列入Clarivate Analytics 2018-2021年高引用研究人員名單。

第一作者介紹：

孫銘遠于 2021 年獲得濟南大學交叉學科高等研究院（IAIR）碩士學位。2021 年至今，在山東大學海洋研究院攻讀博士學位。她的研究方向是石墨烯薄膜效應晶體管的制備及其在生物傳感領域中的應用。