北大团队在碳基生物传感器领域取得进展

场效应晶体管（FET）型生物传感器具有高灵敏度、快速响应和无需标记检测等显著优势，在医疗即时检测（POCT）领域显示出巨大潜力。基于薄膜半导体材料的FET，更是具有工艺兼容性好、栅控特性优良等优势，因此在生物传感器应用上被寄予厚望。半导体碳纳米管（CNT）薄膜更是被证明是构建高性能FET生物传感器的理想沟道材料，尽管有大量相关的研究工作发表，但是尚未发展成为真正的工程化技术，其主要原因是存在关键技术有待解决，尚未发展出CNT FET生物传感器的完整技术链条，这使得碳基生物传感器研究依然被限制在实验室阶段。

近期，北京大学电子学院、碳基电子学研究中心张志勇教授-肖梦梦助理研究员团队，从实际应用的角度出发，剖析出规模制造FET生物传感器完整的技术链条需要解决至少两个主要挑战：（i）发展出可靠和可扩展的制造方法，获得批次之间的一致性，以及（ii）实现读取微弱信号的可靠方法和可读取封装传感器芯片的便携式终端系统。克服这些挑战并构建完整的技术链条是推动FET生物传感器工程化的基础，进而推动其在POCT领域的应用。

团队逐点解决CNT材料制备、生物传感器制造、芯片封装和信号读取等技术难点，打造CNT FET生物传感器的完整链技术，并为其在POCT领域的应用开发坚实的技术基础。具体而言，在材料制备上，通过改进的浸渍涂层技术制备了高质量和均匀性的随机取向半导体CNT薄膜（图1）。

图1：CNT FET生物传感器的完整的技术链

在器件制备上，通过优化CNT FET生物传感器的制备工艺，实现了4英寸晶圆碳基FET批量制备，并大幅度提升了器件均匀性，晶圆内器件性能变化系数优于6%，晶圆间器件性能变化系数在9%以内（图2、图3）。

图2：标准光刻工艺制备的CNT FET的电学特性

图3：晶圆与晶圆之间CNT FET的均匀性

课题组进一步验证了基于CNT FET的离子传感器的可重复性，在每个固定的离子浓度下，所测试的传感器（100个）阈值电压的标准偏差在5.1 mV以内，这意味能够通过直接测试传感器的漏极电流来读取待测溶液的离子浓度信息（图4）。

图4：CNT FET离子传感器的性能

在此基础上，课题组发展了CNT FET生物传感器划片、封装的标准工艺流程，并专门开发了用于FET生物传感器信号读出的专用便携式设备，可实现生物传感芯片的即插即用，操作界面友好，非专业人员亦可根据简单的说明书实现生物目标的探测。课题组还展示了通过该便携式高效检测系统，优化检测方式和数据处理方式，CNT FET生物传感器可在空白背景下检测浓度低至100 aM的生物信号（图5）。

图5：CNT FET生物传感器的性能

该工作打通了碳基FET生物传感器的完整技术链条，为推动其在POCT领域的应用奠定了技术基础。相关成果以题为“Mass Production of Carbon Nanotube Transistor Biosensors for Point-of-Care Tests”的论文，于8月15日在线发表于《Nano letters》(doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02518)。北京大学电子学院2021级博士研究生刘海洋为该论文的第一作者，北京大学电子学院、碳基电子学研究中心肖梦梦助理研究员、张志勇教授为共同通讯作者，湘潭大学湖南先进传感与信息技术创新研究院何建平博士等人作为合作作者参与了该工作。

工作得到了国家重点研发项目（No. 2022YFB3204402）、国家自然科学基金（Nos. 62225101 and 62174007）和北京大学微纳加工公共实验室的支持。

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