用於生物和化學傳感器的石墨烯場效電晶體
Victoria Tsai, Bruce Willner
Graphene Frontiers, Philadelphia, PA 19104, USA
引言
生物標誌物的檢測和量化對於醫療診斷、環境監測和生物研究來說是不可或缺的。這個領域長期以來都是以光學為基礎，利用螢光標記或需要先進光譜設備的讀取技術為主。雖然其他領域已受惠於半導體積體電路技術進步所帶來的新技術，但由於半導體感測器在達到靈敏度和選擇性方面的挑戰，化學和生物感測器仍然依賴於生化檢測。
最近，新的電子感測器透過開發低維材料、奈米線、奈米管和二維 (2D) 薄膜，克服了目前矽感測器的限制。雖然以一維 (1D) 結構 (特別是碳奈米管 (CNT)) 為基礎的感測器已展現出優異的靈敏度，至少有望實現選擇性，但由 1D 結構製成的裝置卻很難生產。
石墨烯
石墨烯是第一種 2D 原子晶體材料，是以六方晶格排列的單層碳。Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 因其在石墨烯上的突破性實驗而於 2010 年榮獲諾貝爾物理學獎。石墨烯具有幾種特殊的材料特性，特別適合於傳感器應用，包括導電性。1-3 石墨烯的理想電導率估計為 200,000 cm2 V-1 s-1。4 有報告指出，SiO2-c 表面的剝離石墨烯的遷移率為 10,000-15,000 cm2 V-1 s-1 。sub>2覆蓋的矽晶圓上的石墨烯，5,6 上限在40,000-70,000cm2 V-1 s-1。6,7 石墨烯非常穩定；它是由非常短、強、共價鍵所組成，全部在薄膜的平面上。石墨烯的導電性、穩定性、均勻性、成分和 2D 特性使其成為傳感器的絕佳材料，克服了矽化學和生物傳感器的缺點。
石墨烯場效電晶體 (GFET)
石墨烯場效電晶體 (GFET) 是由兩個電極之間的石墨烯通道所構成，閘極接點可調變通道的電子反應 (圖 1)。石墨烯暴露在外，可使通道表面功能化，並使受體分子與通道表面結合。GFET 通道的表面可透過結合特定感興趣目標的受體分子來實現功能化。
圖 1.石墨烯場效電晶體 (GFET)。A) 含有 30 個 GFET 的晶片。B) GFET 的結構。
當目標分子與石墨烯表面的受體結合時，電子電荷的重新分配會在整個 FET 通道區域產生電場變化，從而改變通道中的電子電導率和整體器件反應（圖 2,3）。類似的裝置多年來一直使用矽 FET 製造，但靈敏度有限且選擇性不佳。石墨烯通常不會與大多數材料發生反應或結合；然而，由於石墨烯是由碳組成，因此有幾種化學方法可以透過在石墨烯表面形成結合點來實現功能化，本節將進一步討論這一點。
圖 2.用於記錄 GFET 電氣量測的探針台
圖 3.GFET 裝置反應與閘極電壓的關係。
與大體積半導體元件（包括矽）相比，使用二維通道材料的 GFET 感測器具有多項優點。對於大多數半導體電晶體感測器而言，通道表面的局部電場變化對裝置通道深處的影響很小，因而限制了反應靈敏度。對於 GFET，石墨烯通道只有一個原子厚，這意味著整個通道實際上都在表面，直接暴露在環境中。任何附著在通道表面的分子都會影響裝置整個深度的電子傳輸。接近原子厚度的矽或其他大體半導體是沒有效用的，因為在這樣的厚度下，表面缺陷會支配材料特性。二維材料 (例如石墨烯) 並沒有形成缺陷的表面懸空鍵。因此，石墨烯具有高導電性，並且對表面效應非常敏感。此外，由於這種材料沒有懸空鍵，因此可以消除非特異性結合，從而消除假陽性，而假陽性一直是其他基於 FET 的感測器所存在的問題。
石墨烯基 FET 感測器與使用一維材料（如碳納米管 (CNT) 和納米線）製造的元件相比，具有明顯的製造優勢。與石墨烯一樣，單壁 CNT 也具有高導電性 (具有正確的手性)，並且有效地全表面導電。石墨烯可以製成均勻的薄膜，具有均勻的材料特性。目前，1D 材料無法製造出具有相同一致性的材料。此外，使用隨機分佈的奈米線或奈米管也無法製造出高產量、均勻反應的元件陣列，因為 1D 物件的數量和取向在分佈上會有所不同。這種位置的不均勻性，通常會因為 1D 物件之間尺寸的不均勻性而惡化，造成元件之間反應特性的巨大差異。2D 材料提供了達成元件間一致性的途徑。此外，均勻的晶圓級石墨烯薄膜可透過化學氣相沉積形成，而且這些薄膜適用於半導體產業開發的積體電路製程所使用的光刻製作技術。
GFET製造
GFET是在矽晶圓上製造，以利用積體電路產業既有、低成本、高可靠度的光刻、沉積和整合製程。8 銅箔沉積基板裝入爐中，在氬/氫還原環境中加熱至 1,000 °C，以去除銅表面的任何原生氧化物。氣流中加入少量甲烷。石墨烯的形成從幾個成核點開始，接著是單原子層石墨烯晶體的橫向成長，直到晶域相遇，完全覆蓋在銅的表面。甲烷會在銅面分解，吸附的碳原子會在表面移動，直到與石墨烯晶體相遇並加入石墨烯晶體。連續的單原子層石墨烯 (SLG) 在 5 到 30 分鐘的短時間生長後形成，主要取決於氣體流量比。
金屬電極透過熱蒸發沉積在矽晶圓上，並以光刻技術製成圖案。薄薄的鈦或鉻層是附著在 SiO2 表面所必需的。金或鈀提供了與石墨烯的電子接觸。石墨烯薄膜從銅沉積基板轉移，並在電極形成後覆蓋在晶圓上。為了進行轉移，聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA, Prod.Nos. 182230, 445746<、182265）旋塗在銅基板的石墨烯面。銅與 PMMA/石墨烯透過水電解的機械分離法進行分離。將石墨烯薄膜放置在晶圓表面，烘烤晶圓以促進石墨烯與晶圓和電極的附著力，並以丙酮去除 PMMA。使用額外的光刻技術將石墨烯圖案化為電極間的 FET 通道，氧等離子能有效去除未受保護的石墨烯。盡量減少石墨烯薄膜中的金屬雜質對於集成電路製造設備的整合至關重要。
GFET 功能化
過去幾年來，已開發出許多與 GFET 相容且控制良好的化學功能化程序。
就蛋白功能化而言，非特異性蛋白結合是不可取的，因為這通常意味著失去對蛋白功能結構的控制。9 賓夕法尼亞大學的 A.T. Charlie Johnson 研究小組已經展示了多種適用於石墨烯裝置的附著化學物質。這些化學物質可以是基於重氮化合物，與石墨烯表面形成共價鍵10 或是雙功能芘化合物，透過π-π堆疊作用與石墨烯互動。10,11 與蛋白質的連結可以透過在蛋白質外部適當的胺基上允許的酰胺鍵來完成11 或透過Ni-nitrilotriacetic acid與重組蛋白質上的組氨酸標籤連結。12 在每種情況下，控制附著化學的參數（例如、12&bsp; 在每一種情況下，控制附著化學的參數（例如濃度、溫度、時間）可在執行功能化的同時，保留有助於高靈敏度的石墨烯元件的高品質特性（尤其是高載子遷移率和有利的雜訊特性）。
在生物感測器和化學感測器中的應用
石墨烯的特殊電子和熱特性，以及高雜訊特性，使其在生物感測器和化學感測器中的應用成為可能。的特殊電子和熱學特性以及高表面體積比使其特別適合應用於生物傳感器、13,14 氣體傳感器、15,16 和高性能電晶體。17-19 基於石墨烯的元件可實現醫療照護點診斷和化學物質檢測的快速高靈敏度感測器，並有潛力取代其他高成本、低靈敏度和勞力密集的方法。
A.T. Charlie Johnson 的研究小組已經展示了一種用於檢測 pg/mL 濃度小分子的 GFET 感測器。14 GFET 用計算設計的水溶性人類 μ-阿片受體（G蛋白偶合受體）的計算設計水溶性變體，使用4-羧基苯偶氮鎓四氟硼酸鹽，在石墨烯上產生羧酸位點，再使用1-乙基-3-[3-二甲基氨基丙基]碳二亞酰胺鹽酸鹽（Prod.No. 03449 and Prod.No. E7750)/sulfo-N-hydroxysuccinimide (EDC/sNHS)。20 在官能化程序的每個步驟之後對源極-漏極電流進行的電子量測顯示，電導的轉移是可重現的。μ-阿片受體目標物納曲酮（阿片受體拮抗劑， Prod.No. 1453504）的檢測報告，濃度低至 10 pg/mL，特異性高。21 scFv是一種工程化的融合蛋白，包含對抗原具有特異性的抗體可變區域，儘管去除了構成抗體大部分的常數區域，但仍保留了原始抗體的特異性。使用 scFvs 功能化的 FET 感測器的靈敏度提高，可能是因為結合的生物標記目標更接近 GFET 通道，因此產生更強的靜電互動和更大的電子信號。21
化學蒸氣感測或稱為「類鼻」蒸氣感測，是使用 GFET 的另一項應用。為此，GFET 被單鏈 DNA 功能化，以偵測各種化學蒸氣。基於 GFET 的化學感應器顯示出快速的反應時間、在室溫下快速恢復至基線，以及幾種類似蒸氣分析物質之間的區別：例如甲基膦酸二甲酯 (DMMP, Prod.No. )。No. D169102）和丙酸（Prod.No. 402907).16
結論與未來展望
石墨烯的特殊電子特性在傳感器應用上仍有很高的前景。以 GFET 為基礎的生物和化學應用感測器將能夠實現快速、靈敏、特異、低成本和全電子讀取。此外，GFET 感測器可進行多重處理，因此可在單一小型晶片上以高靈敏度快速測試多個目標 (數十至數千個)。GFET 感測器技術將有可能顛覆醫療保健、藥物發現和化學檢測市場。
參考資料
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