硅晶圓上直接生長石墨烯實現高靈敏生化傳感平臺

具有優異電學特性的石墨烯、二硫化鉬等二維材料因其所有原子裸露在外，對外界環境的變化極為敏感，利用這些特性，目前已成功開發石墨烯霍爾傳感器并應用于航空航天、量子計算等高精尖領域。而具有進行準確即時診斷潛力的石墨烯生物傳感器尚處于研發階段，如課題組在2020年新冠疫情爆發初期，采用該技術實現了對SARS-CoV-2病毒表面刺突糖蛋白受體結合域的快速識別（arXiv:2003.12529）。然而，目前常用的濕法轉移制備工藝與半導體工藝難以兼容，所用有機支撐層、金屬刻蝕劑等易造成化學雜質殘留，限制了石墨烯生物傳感器器件產率和傳感性能。在絕緣或半導體等介質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，納米領域頂級期刊《Small》發表了松山湖材料實驗室許智團隊、清華大學符汪洋關于碳基生物傳感器的最新研究成果“Ultrasensitive biochemical sensing platform enabled by directly grown graphene on insulator”。該工作在四英寸硅晶圓上使用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）的方法直接生長石墨烯，無需金屬催化劑，成功構建了高產率（328/384）的石墨烯場效應晶體管（GFET）生物傳感器芯片。電學測試表明這些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。

圖1 直接在介質基底上快速生長的無金屬催化劑石墨烯，實現了高產率的高性能生物傳感器芯片制作（4英寸晶圓，328/384）

進一步制備的生物傳感器在實驗室測試條件下表現出超靈敏的性能，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，與基于濕法轉移的高質量石墨烯生物傳感器檢測限（LOD）相當。噪聲頻譜分析表明，通過器件結構與面積的優化，PECVD石墨烯具備足夠優異的噪聲性能，而其LOD主要受制于傳感器漂移。長期以來，人們普遍認為石墨烯在直接生長過程中形成的缺陷所造成的電學特性退化將導致非理想的傳感性能，該結果澄清了這一疑惑。

圖2 GFET傳感器檢測SARS-CoV-2病毒N蛋白抗原及噪聲頻譜測試。（a）和（b）加入10 aM至1 nM濃度N蛋白溶液時狄拉克點移動量△VCNP的變化；（c）液柵電壓從0 V至0.6 V時GFET的噪聲功率譜密度（PSD）；（d）轉移特性曲線（黑）, 歸一化噪聲強度A（紅）和推算理論檢測限（藍）

本研究選取三種與SARS-CoV-2病毒相關的蛋白—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傳感器的臨床應用性能，該工作將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，在無需前期標記或擴增的條件下得到了足以分辨的信號。驗證了PECVD直接均勻生長在晶圓上的石墨烯用于高產率、高靈敏生物傳感器芯片的可行性。

圖 3 GFET傳感器特異性及咽拭子樣本檢測。（a）將不同濃度的 ACE-2、S1、S1Ab 蛋白溶液加入N蛋白抗體功能化GFET傳感器時△VCNP的變化。（b）1 pM濃度ACE-2、S1、S1Ab和N蛋白溶液的△VCNP變化比較。（c） COVID-19患者樣本與健康人樣本（均稀釋至 0.01×）的實時|ΔIds/Ids|信號響應。（d）COVID-19患者樣本與健康人樣本（均稀釋至 0.1×）的實時|ΔIds/Ids|信號響應

上述研究成果以“Ultrasensitive biochemical sensing platform enabled by directly grown graphene on insulator”為題，12月17日在線發表在納米領域頂級期刊《Small》上。本文的通訊作者為許智研究員（松山湖材料實驗室）和符汪洋副教授（清華大學材料學院）。文章的第一作者為松山湖材料實驗室劉俊江（現聯合微電子中心有限責任公司工程師）和清華大學材料學院20級博士生經求是，首都醫科大學附屬北京佑安醫院王文敬副研究員、任姍主任醫師，首都醫科大學藥學院張曉艷教授等為論文工作做出了重要貢獻。本研究得到了國家自然科學基金、清華-佳能醫療國際科技合作等項目支持。

審核編輯：湯梓紅