近日，相关研究成果以《基于内剪切反应的石墨烯场效应晶体管自由基传感器》为题在线发表于《自然·通讯》。

 

石墨烯因其极高的载流子迁移率被视为最有前途的敏感材料，免标记亲和型石墨烯场效应管传感器是生物传感领域的前沿热点。但是，目前广泛使用的液栅和背栅GFET结构分别存在结构稳定性低（需外置栅电极）和安全性弱（栅压较高）的问题，在器件集成化和实用性方面受到制约。本研究报道的High-κ solid-gate GFET新器件（图1）使用标准MEMS光刻工艺和原子层蒸镀沉积（Atomic layer deposition, ALD）技术制了成高介电常数平面固态栅极。实验结果和理论分析显示，新器件可以在基本保持石墨烯高迁移率的基础上，通过提高固态栅极电容，使GFET器件的跨导参数显著提高，实现高灵敏度检测。

 

 

由于超高的载流子迁移率和饱和漂移速度，石墨烯近年来吸引了人们的广泛关注，有望应用于未来的高速电子和射频领域。目前，石墨烯场效应晶体管的电流截止频率fT虽然已经达到427GHz，但仍远小于其理想值。其中一个重要因素就是寄生电阻过大。通路区电阻对石墨烯器件频率特性的影响随着栅长的减小而更加明显。因此缩短通路区，是提高其射频性能的关键。同时，石墨烯作为典型的二维材料，在器件加工过程中容易受环境和残留光刻胶的影响，从而对石墨烯材料造成掺杂和污染，是影响石墨烯器件的另一个主要因素。栅源和栅漏寄生电容同样也会影响石墨烯晶体管的射频性能。

 

据介绍，羟基自由基是一种生物体内存在的超高活性自由基，能够破坏细胞与组织内的脂质、蛋白质、DNA等生物分子，与许多疾病及衰老现象密切相关。传统检测方法，诸如电子自旋共振、荧光、色谱、电化学等都需要标记，设备成本高，在选择性、检测限、定量及便利度等方面存在不足。相比之下，场效应晶体管传感器不需要标记，具有高灵敏度、低成本、微型便携、实时检测等优势，是一种潜力巨大的传感技术，被广泛应用于检测金属离子、DNA、蛋白质、有机小分子等。

 

然而，羟基自由基化学性质非常活泼，很容易转变成其他物质，这使其仅有百万分之一秒的“寿命”而很难被发现。因此，到目前为止还没有关于羟基自由基场效应晶体管传感器的报道。

 

 

针对这一问题，魏大程团队开发了一种基于内剪切反应的石墨烯场效应晶体管传感器。在传感器中，石墨烯作为导电沟道。检测过程中，羟基自由基与Au-S键发生氧化剪切反应，从石墨烯表面释放带电金属离子，引起石墨烯沟道的电流变化，从而间接实现对羟基自由基的检测。

 

该传感器对羟基自由基具有良好的选择性，最低检测浓度达到十亿分之一摩尔。

 

 

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