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生物傳感器研究取得進(jìn)展:環(huán)境檢測石墨烯場效應(yīng).

2017-4-5  閱讀(1028)

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境保護(hù)所何苗課題組在新型石墨烯場效應(yīng)管(Graphenefield-effecttransistor,GFET)納米傳感器件研究中取得進(jìn)展。研究通過開發(fā)一種基于可集成平面固態(tài)柵極(High-κsolid-gate)新結(jié)構(gòu)的GFET傳感器件,實現(xiàn)對水中新型污染物抗生素的免標(biāo)記定量檢測。
    石墨烯因其*的載流子遷移率被視為zui有前途的敏感材料,免標(biāo)記親和型石墨烯場效應(yīng)管傳感器是生物傳感領(lǐng)域的前沿?zé)狳c。但是,目前廣泛使用的液柵和背柵GFET結(jié)構(gòu)分別存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性低(需外置柵電極)和安全性弱(柵壓較高)的問題,在器件集成化和實用性方面受到制約。本研究報道的High-κsolid-gateGFET新器件(圖1)使用標(biāo)準(zhǔn)MEMS光刻工藝和原子層蒸鍍沉積(Atomiclayerdeposition,ALD)技術(shù)制了成高介電常數(shù)平面固態(tài)柵極。實驗結(jié)果和理論分析顯示,新器件可以在基本保持石墨烯高遷移率的基礎(chǔ)上,通過提高固態(tài)柵極電容,使GFET器件的跨導(dǎo)參數(shù)顯著提高,實現(xiàn)高靈敏度檢測。


    圖1平面固態(tài)柵極石墨烯場效應(yīng)管集成傳感器件。
  

   經(jīng)實驗驗證,本研究報道的High-κsolid-gateGFET新器件(圖1)同時具備液柵GFET器件的低操作電壓和背柵GFET器件的易于集成的優(yōu)點。在此基礎(chǔ)上,通過對石墨烯新器件進(jìn)行功能化修飾,本研究實現(xiàn)了基于DNA適體競爭機制的新型環(huán)境污染物卡那霉素檢測。此外,通過對水溶液-石墨烯敏感界面上帶電生物分子分布進(jìn)行的電子學(xué)理論分析,本研究提出了描述生物分子間親和作用形成GFET器件電信號輸出模型(圖2)。該模型對GFET親和型生物傳感器的設(shè)計與優(yōu)化具有重要的參考價值。


    圖2生物傳感響應(yīng)機制。


    清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院博士后王程為論文*作者和通訊作者,何苗研究員為共同通訊作者。清華大學(xué)周小紅副教授、博士生李奕君,美國哥倫比亞大學(xué)喬林(QiaoLin)教授、博士生祝毅博參與了研究工作。



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