用于生物和化学传感器的石墨烯场效应晶体管

 

Victoria Tsai* and Bruce Willner
Graphene Frontiers, Philadelphia, PA 19104, USA
*Email: victoria@graphenefrontiers.com
 

 介绍

对生物标志物进行检测和定量研究对于医学诊断、环境监测和生物研究而言非常重要。这一领域一直以来大多利用荧光标记或者其他需要先进光谱设备的光学读出技术为主。虽然很多其他领域都已经从基于半导体集成电路进步的新技术中受益良多,但化学和生物传感器仍然依赖于生物化学分析,这是由于半导体传感器在灵敏度和选择性上所面临的挑战所致。人们已经开发出来了基于硅晶体管的读出传感器,但由于硅结构所具有的基本缺点,这些器件的灵敏度和选择性普遍较差。

最近,通过开发低维材料,比如纳米线、纳米管和二维(2D)薄膜,新型电子传感器已经克服了当前硅传感器的局限性。尽管基于一维(1D)结构(特别是碳纳米管(CNT))的传感器已经表现出优异的灵敏度,而且在选择性部分也具有不错的前景,但是人们也已经证明:一维结构设备的生产会比较困难。石墨烯可以为我们提供与1D结构相同的性能水准,同时还具有平面膜的优点。
 

 石墨烯

石墨烯是第一种二维原子晶体材料,其是一种排列成六方晶格的单层碳。Andre Geim和Konstantin Novoselov因其在石墨烯上的突破性实验而于2010年荣获诺贝尔物理学奖。石墨烯具有多种特殊材料特性,包括导电性,特别适用于传感器应用。1–3 石墨烯的理想迁移率约为200000 cm2 V–1 s–1.4 ,位于SiO2 覆盖的硅晶片上脱落石墨烯的迁移率的报道值已经达到了10,000–15,000 cm2 V–1s–1 ,5,6 上限值为40,000- 70,000 cm2V–1 s–16,7 石墨烯非常稳定:由非常短而强的共价键组成,全部位于膜平面上。石墨烯的传导性、稳定性、均匀性、组分和2D特性使其成为了一种优秀传感器材料,克服了硅化学和生物传感器的缺陷。
 

 GFET

石墨烯场效应晶体管(GFET)由位于两个电极之间的石墨烯沟道组成,利用栅极触点来对沟道的电子响应进行调制(图1)。石墨烯暴露在外以对沟道表面进行功能化并使受体分子与沟道表面相结合。GFET沟道的表面通过与用于特定目标的受体分子相结合而完成功能化。

石墨烯场效应晶体管(GFET)。

图1. 石墨烯场效应晶体管(GFET)。A)由30个GFET组成的芯片。B)GFET的结构。
 

当目标分子与石墨烯表面上的受体相结合时,电子电荷会进行重新分布,使得整个FET沟道区域的电场发生变化,从而改变沟道中的电子电导率和整体器件响应(图2、3)。多年来,人们已经用硅FET制造了类似的器件,但是实现的灵敏度不高,选择性较差。通常,石墨烯与大多数材料之间都不会发生反应或结合;然而,由于其由碳组成,因此有几种化学品能够通过在表面上形成结合位点来对其实现官能化,本节将对此点进行进一步讨论。

用于记录GFET电测量的探针台

图2. 用于记录GFET电测量的探针台

GFET器件的响应性与栅极电压之间的关系

图3. GFET器件的响应性与栅极电压之间的关系。

采用2D沟道材料的GFET传感器与块状半导体器件(包括硅)相比而言具有多个优点。对于大多数半导体晶体管传感器而言,沟道表面的局部电场变化对器件沟道的影响比较弱,从而限制了响应灵敏度。在GFET中,石墨烯沟道只有一个原子厚,这意味着整个沟道有效地位于表面并直接暴露在环境中。任何附着在沟道表面的分子都会在整个器件深度上影响电子传输。此外,接近原子级的薄硅或其他块状半导体的效果并不好,这是因为在这样的厚度下,表面缺陷主导了材料特性。二维材料(如石墨烯)不含有任何会形成缺陷的表面悬浮键。由此造成的结果就是,石墨烯具有高导电性并且对表面效应敏感。此外,由于该材料没有悬浮键,因此不存在非特异性结合,从而消除了假阳性,这一点在其他基于FET传感器中是一个很明显的问题。通过正确官能化,GFET可以通过全电子器件控制和读出来实现具有高度灵敏性、高度选择性、直接、无标记目标分析物的检测。

基于石墨烯的FET传感器与用1D材料(例如碳纳米管(CNT)和纳米线)制造的器件相比具有明显的制造优势。像石墨烯一样,单壁CNT也具有高导电性(手性合适的情况下),可有效覆盖所有表面。石墨烯可生成均匀的薄膜,此类薄膜具有均匀的材料特性。目前,一维材料制造过程中不能实现相同的一致性。此外,使用随机分布的纳米线或纳米管无法生成具有高产率、均匀响应性的器件阵列,因为一维物体的数量和方向会随分布而变化。这种位置的不均匀性还会常常因为一维物体之间尺寸的不均匀性而进一步加剧,造成不同装置之间的响应特性存在大幅波动。2D材料提供了一种器件一致性的实现途径。此外,通过化学气相沉积可以形成均匀的晶片级石墨烯薄膜,适用于由半导体工业开发的用于集成电路制造工艺的光刻制造技术。

 GFET制造

GFET可以在硅片上进行制造,以利用集成电路行业已建立的、低成本、高度可靠的光刻、沉积和集成工艺。对于这些器件而言,石墨烯膜可以通过常压化学气相沉积制得。8将铜箔沉积基板装入炉中并在氩/氢还原环境中将其加热至 1000℃,除去铜表面上的所有天然氧化物。随后在气流中添加少量甲烷流。石墨烯的生成始于几个成核位置,随后进行单原子层石墨烯晶体的横向生长,直到畴相遇,完全涂覆铜表面。甲烷在铜表面分解并且吸附碳原子在表面上铺进,直到与石墨烯晶体相遇并叠加。取决于气体流量比的不同,在5至30分钟的短生长时间之后就会形成连续单原子层石墨烯(SLG)。

通过热蒸发将金属电极沉积在硅晶片上并进行光刻图案化。要想粘附到SiO2表面上,需要薄钛/铬层。 金或钯与石墨烯之间可以发生电子接触。在形成电极之后,将石墨烯膜从铜沉积基板转移并覆盖在晶片上。为了进行转移,将聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA,Aldrich货号182230445746182265)旋涂在铜基材的石墨烯面上。通过水电解进行机械分离,将铜与PMMA /石墨烯分离开来。随后将石墨烯膜放在晶片表面上,烘烤晶片以促进石墨烯与晶片和电极之间发生粘附,并且用丙酮除去PMMA。再次使用光刻法,通过对石墨烯进行图案化以形成电极之间的FET沟道,使用氧等离子体有效去除未受保护的石墨烯。最大限度减少石墨烯薄膜中金属污染物的量对于集成IC制造设备而言至关重要。为了实现这一点,避免蚀刻掉铜基板的工艺必不可少。
 

 GFET官能化

在过去的几年中,人们已经开发了多种与GFET之间具有兼容性的、可以实现良好控制的化学官能化步骤。人们已经实现了石墨烯FET蛋白质、化合物和DNA分子官能化,以制成可以用于各种应用的传感器。

蛋白质官能化过程中,我们不希望发生非特异性蛋白质结合,因为这通常意味着失去了对蛋白质功能结构的控制。9 宾夕法尼亚大学的 Charlie Johnson小组展示了适用于石墨烯器件的多种附着化学物质。这些物质要么是可以与石墨烯表面10形成共价键的重氮化合物,要么是通过π-π堆积相互作用与石墨烯发生相互作用的双功能芘化合物。10,11 与蛋白质的连接可以通过在蛋白质外部11选择合适的胺基来形成酰胺键来完成,也可以利用镍-次氮基三乙酸将其连接在重组蛋白质上的组氨酸标记来完成。12 在每种情况下,对附着化学参数(例如,浓度、温度、时间)进行控制使得我们可以进行功能化,同时保持有助于高灵敏度的石墨烯装置的高质量特性(特别是高载体迁移率和有利的噪音特性)。
 

 在生物传感器和化学传感器中的应用

石墨烯卓越的电子和热性能以及高表面积/体积比使得其特别适用于生物传感器等应用,13,14气体传感器15,16和高性能晶体管。17–19 基于石墨烯的器件可以为即时医疗诊断和化学检测提供快速高灵敏度传感器,并有可能取代成本高、灵敏度低和劳动强度大的其他方法。

A.T. Charlie Johnson研究小组展示了用于检测浓度为pg / mL的小分子GFET传感器。14 通过使用4-羧基苯基重氮四氟硼酸盐,利用计算机设计的人μ-阿片受体(G蛋白偶联受体)的水溶性变体对GFET进行官能化,所述四氟硼酸盐可以在石墨烯上产生羧酸位点,利用1-乙基-3- [3-二甲氨基丙基]碳化二亚胺盐酸盐(Sigma货号03449和Sigma-Aldrich货号E7750)/磺基-N-羟基琥珀酰亚胺(EDC / sNHS)对其进行进一步活化和稳定。20在官能化流程的每个步骤之后,对作为背栅电压函数的源-漏电流进行电子测量,显示电导发生了具有可重现性的偏移。μ阿片受体目标纳曲酮(阿片受体拮抗剂,货号1453504)的检测报道浓度低至10 pg / mL,具有高度特异性14。利用工程化单链可变片段(scFv)替代全长抗体作为其他基于碳的FET传感器上的受体分子的研究显示,检测限度提升了1,000倍。21 scFv是一种工程化的融合蛋白,其含有抗原特异性的抗体可变区,并保留了原始抗体的特异性,尽管去除了构成大部分抗体的恒定区。使用scFvs官能化的FET传感器灵敏度的改进可归因于结合的生物标志物靶标与GFET沟道更接近,从而具有更强的静电相互作用和电信号。21

化学气相传感或“电子鼻”气相传感是另一种用到了GFET的应用。为此,GFET通过单链DNA进行官能化,以检测各种化学蒸汽。 基于GFET的化学传感器具有快速响应时间,可以在室温下快速恢复到基线,还可以区分几种类似的蒸汽分析物:例如甲基膦酸二甲酯(DMMP,Aldrich货号D169102)和丙酸(Sigma-Aldrich货号402907)。16
 

 结论和对未来的展望

石墨烯具有卓越的电子性能,在传感应用领域不断展现出非常有利的前景。基于GFET的生物和化学应用传感器可以实现快速、灵敏、特异性、低成本和全电子读数。此外,GFET传感器还可以重复使用,因此人们可以在单个小尺寸芯片上实现多个目标的高灵敏度快速测试(数十至数千个)。GFET传感器技术将有可能彻底改变医疗保健、药物开发和化学检测市场。
 

 参考文献

  1. Novoselov, K. S. et al. A roadmap for graphene. Nature 2012490, 192–200, doi:10.1038/nature11458.
  2. Geim, A. K.; Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nature materials 20076, 183–191, doi:nmat1849 [pii] 10.1038/nmat1849.
  3. Geim, A. K. Graphene: status and prospects. Science 2009324, 1530–1534, doi:10.1126/science.1158877.
  4. Bolotin, K. I. et al. Ultrahigh electron mobility in suspended graphene. Solid State Communications 2008,146, 351–355.
  5. Novoselov, K. S. et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science 2004 306, 666–669, doi:10.1126/science.1102896.
  6. Chen, J.-H.; Jang, C.; Xiao, S.; Ishigami, M.; Fuhrer, M. S. Intrinsic and extrinsic performance limits of graphene devices on SiO2. Nature nanotechnology 20083, 206–209.
  7. Chen, F.; Xia, J; Ferry, D. K.; Tao, N. Dielectric screening enhanced performance in graphene FET. Nano Lett. 20099, 2571–2574, doi:10.1021/nl900725u.
  8. Luo, Z. et al. Effect of Substrate Roughness and Feedstock Concentration on Growth of Wafer-Scale Graphene at Atmospheric Pressure. Chemistry of Materials 201123.
  9. Alava, T. et al. Control of the graphene-protein interface is required to preserve adsorbed protein function. Analytical chemistry 201385, 2754–2759, doi:10.1021/ac303268z.
  10. 10.   Lu, Y. et al. Graphene-Protein Bioelectronic Devices with Wavelength-Dependent Photoresponse. Applied Physics Letters 2012100.
  11. Lerner, M. B. et al. Toward quantifying the electrostatic transduction mechanism in carbon nanotube molecular sensors. Journal of the American Chemical Society 2012134, 14318–14321, doi:10.1021/ja306363v.
  12. Goldsmith, B. R. et al. Biomimetic chemical sensors using nanoelectronic readout of olfactory receptor proteins. ACS Nano 20115, 5408–5416, doi:10.1021/nn200489j.
  13. Wang, Y., Shao, Y., Matson, D. W., Li, J. & Lin, Y. Nitrogen-doped graphene and its application in electrochemical biosensing. ACS Nano 20104, 1790–1798, doi:10.1021/nn100315s.
  14. Lerner, M. B. et al. Scalable production of highly sensitive nanosensors based on graphene functionalized with a designed G protein-coupled receptor. Nano Lett. 201414, 2709–2714, doi:10.1021/nl5006349.
  15. Schedin, F. et al. Detection of individual gas molecules adsorbed on graphene. Nature materials 20076, 652–655, doi:10.1038/nmat1967.
  16. Lu, Y., Goldsmith, B. R., Kybert, N. J. & Johnson, A. T. C. DNA-decorated graphene chemical sensors. Applied Physics Letters 201097.
  17. Wu, Y. et al. High-frequency, scaled graphene transistors on diamond-like carbon. Nature 2011472, 74–78, doi:10.1038/nature09979.
  18. Liao, L. et al. High-speed graphene transistors with a self-aligned nanowire gate. Nature 2010467, 305–308, doi:10.1038/nature09405.
  19. Lin, Y. M. et al. 100-GHz transistors from wafer-scale epitaxial graphene. Science 2010327, 662, doi:10.1126/science.1184289.
  20. Lerner, M. B., Dailey, J., Goldsmith, B. R., Brisson, D. & Johnson, A. T. Detecting Lyme disease using antibody-functionalized single-walled carbon nanotube transistors. Biosens Bioelectron 201345, 163–167, doi:S0956-5663(13)00038-9 [pii] 10.1016/j.bios.2013.01.035.
  21. Lerner, M. B. et al. Hybrids of a genetically engineered antibody and a carbon nanotube transistor for detection of prostate cancer biomarkers. ACS Nano 20126, 5143–5149, doi:10.1021/nn300819s.