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生物傳感器研究取得進展:環境檢測石墨烯場效應

 更新時間:2016-10-28 點擊量:799

清華大學環境學院水環境保護所何苗課題組在新型石墨烯場效應管(Graphenefield-effecttransistor,GFET)納米傳感器件研究中取得進展。研究通過開發一種基于可集成平面固態柵極(High-κsolid-gate)新結構的GFET傳感器件,實現對水中新型污染物抗生素的免標記定量檢測。
    石墨烯因其*的載流子遷移率被視為zui有前途的敏感材料,免標記親和型石墨烯場效應管傳感器是生物傳感領域的前沿熱點。但是,目前廣泛使用的液柵和背柵GFET結構分別存在結構穩定性低(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)使用標準MEMS光刻工藝和原子層蒸鍍沉積(Atomiclayerdeposition,ALD)技術制了成高介電常數平面固態柵極。實驗結果和理論分析顯示,新器件可以在基本保持石墨烯高遷移率的基礎上,通過提高固態柵極電容,使GFET器件的跨導參數顯著提高,實現高靈敏度檢測。


    圖1平面固態柵極石墨烯場效應管集成傳感器件。
  

   經實驗驗證,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點。在此基礎上,通過對石墨烯新器件進行功能化修飾,本研究實現了基于DNA適體競爭機制的新型環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行的電子學理論分析,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計與優化具有重要的參考價值。


    圖2生物傳感響應機制。


    清華大學環境學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。清華大學周小紅副教授、博士生李奕君,美國哥倫比亞大學喬林(QiaoLin)教授、博士生祝毅博參與了研究工作。

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