硅晶圆上直接生长石墨烯实现高灵敏生化传感平台

具有优异电学特性的石墨烯、二硫化钼等二维材料因其所有原子裸露在外，对外界环境的变化极为敏感，利用这些特性，目前已成功开发石墨烯霍尔传感器并应用于航空航天、量子计算等高精尖领域。而具有进行准确即时诊断潜力的石墨烯生物传感器尚处于研发阶段，如课题组在2020年新冠疫情爆发初期，采用该技术实现了对SARS-CoV-2病毒表面刺突糖蛋白受体结合域的快速识别（arXiv:2003.12529）。然而，目前常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，限制了石墨烯生物传感器器件产率和传感性能。在绝缘或半导体等介质基底上无金属催化剂直接生长二维材料有望解决这一难题。

近日，纳米领域顶级期刊《Small》发表了松山湖材料实验室许智团队、清华大学符汪洋关于碳基生物传感器的最新研究成果“Ultrasensitive biochemical sensing platform enabled by directly grown graphene on insulator”。该工作在四英寸硅晶圆上使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的方法直接生长石墨烯，无需金属催化剂，成功构建了高产率（328/384）的石墨烯场效应晶体管（GFET）生物传感器芯片。电学测试表明这些GFET器件的电阻、载流子迁移率和传输特性曲线具有良好的一致性。

图1 直接在介质基底上快速生长的无金属催化剂石墨烯，实现了高产率的高性能生物传感器芯片制作（4英寸晶圆，328/384）

进一步制备的生物传感器在实验室测试条件下表现出超灵敏的性能，能够检测稀释到亚飞摩尔浓度的SARS-CoV-2病毒核衣壳蛋白（N蛋白）抗原，与基于湿法转移的高质量石墨烯生物传感器检测限（LOD）相当。噪声频谱分析表明，通过器件结构与面积的优化，PECVD石墨烯具备足够优异的噪声性能，而其LOD主要受制于传感器漂移。长期以来，人们普遍认为石墨烯在直接生长过程中形成的缺陷所造成的电学特性退化将导致非理想的传感性能，该结果澄清了这一疑惑。

图2 GFET传感器检测SARS-CoV-2病毒N蛋白抗原及噪声频谱测试。（a）和（b）加入10 aM至1 nM浓度N蛋白溶液时狄拉克点移动量△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）转移特性曲线（黑）, 归一化噪声强度A（红）和推算理论检测限（蓝）

本研究选取三种与SARS-CoV-2病毒相关的蛋白—人体血管紧张素-2（ACE-2）、S1刺突蛋白、S1刺突蛋白抗体（S1Ab）作为对照组进行检测，表明所制备的GFET传感器具备较好的检测特异性。为验证所制备GFET传感器的临床应用性能，该工作将COVID-19 患者的咽拭子样本（稀释前PCR测试中样本ORF1ab基因和N基因的CT值分别为29.054和28.740）和用于对照的健康人样本分别稀释10倍（0.1×，pH=7.55）和100倍（0.01×，pH=7.24）加入GFET生物传感器测试，在无需前期标记或扩增的条件下得到了足以分辨的信号。验证了PECVD直接均匀生长在晶圆上的石墨烯用于高产率、高灵敏生物传感器芯片的可行性。

图 3 GFET传感器特异性及咽拭子样本检测。（a）将不同浓度的 ACE-2、S1、S1Ab 蛋白溶液加入N蛋白抗体功能化GFET传感器时△VCNP的变化。（b）1 pM浓度ACE-2、S1、S1Ab和N蛋白溶液的△VCNP变化比较。（c） COVID-19患者样本与健康人样本（均稀释至 0.01×）的实时|ΔIds/Ids|信号响应。（d）COVID-19患者样本与健康人样本（均稀释至 0.1×）的实时|ΔIds/Ids|信号响应

上述研究成果以“Ultrasensitive biochemical sensing platform enabled by directly grown graphene on insulator”为题，12月17日在线发表在纳米领域顶级期刊《Small》上。本文的通讯作者为许智研究员（松山湖材料实验室）和符汪洋副教授（清华大学材料学院）。文章的第一作者为松山湖材料实验室刘俊江（现联合微电子中心有限责任公司工程师）和清华大学材料学院20级博士生经求是，首都医科大学附属北京佑安医院王文敬副研究员、任姗主任医师，首都医科大学药学院张晓艳教授等为论文工作做出了重要贡献。本研究得到了国家自然科学基金、清华-佳能医疗国际科技合作等项目支持。

审核编辑：汤梓红