石墨烯传感器在液体中保持稳定，灵敏度提升多达20倍

准确测量生物标志物（如蛋白质和神经递质）或水源中的有害化学物质的微小变化，可以在关键问题影响患者或环境之前发现它们。虽然一些现有传感器可以监测这些问题背后的微观物质，但它们通常存在局限性。一个主要例子是称为场效应晶体管的器件——一个控制系统电流流动的微小元件，暴露于液体时难以保持稳定。

宾夕法尼亚州立大学的研究人员设计了一种新型场效应晶体管，能够促进响应性强且多功能的传感，即使在像人体这样液体丰富的环境中也能实现。团队晶体管制造的传感器对各种化学和生物信号的敏感度，高达20倍，比如水中的有害化学物质或大脑中的多巴胺水平，而其他同类晶体管设计的传感器则高达20倍。团队已在《npj 2D Materials and Applications》期刊上发表了他们的研究成果。

石墨烯晶体管解决信号漂移

该技术基于石墨烯，石墨烯是一种二维（2D）材料，尽管其厚度仅有几原子，但导电性强且对环境高度敏感。用于生物传感器的场效应晶体管传统上是用硅制造的，但越来越多的材料采用石墨烯等二维材料。然而，根据电气工程早期职业副教授兼论文通讯作者Aida Ebrahimi的说法，当这些场效应晶体管浸入液体时，会出现信号漂移——即使测量输入保持不变，传感器读数也会逐渐变化，从而降低准确率。

Aida Ebrahimi（左）和Vinay Kammarchedu开发了一种改进的场效应晶体管设计，能够驱动极其灵敏且坚韧的传感器。图片来源：Jaydyn Isiminger/宾夕法尼亚州立大学

Ebrahimi说：“除了信号漂移，这些设备还面临电泄漏和扫频引起的不稳定性，扫频是一种常见的测量技术，随着时间推移极大地影响其可靠性，”Ebrahimi说，他同时拥有生物医学工程和材料科学与工程的职位。“这使得将这些晶体管应用于生物接口，如植入设备，或任何与流体接口的交互中变得困难。”

电磁场效应晶体管本质上就像水槽里的水龙头一样，电气工程博士生兼论文第一作者Vinay Kammarchedu解释道。当抽头（电子术语中称为栅极）打开时，场效应晶体管允许电流自由流经系统。当水龙头或闸门关闭时，水流停止。然而，使用传统传感器测量需要不断调整那个开关。据Kammarchedu说，这种持续的移动导致系统不稳定，导致读数不准确。

双门和反馈提升稳定性

“我们调整设计，采用两个闸门而非一个，使我们能够独立控制系统中流动的电流量，”Kammarchedu说。“利用两个门，我们可以保持系统电流恒定，消除信号漂移的主要原因。此外，我们还在其中一个门上增加了反馈系统，以更准确地追踪分子对传感器电压的影响。”

Kammarchedu解释说，反馈系统利用每个栅极不同的电容量——上栅的电容是下栅的10倍，对环境非常敏感，而下栅极则作为刚性电子平衡。栅极之间的这种关系放大了通过晶体管的信号，显著提升传感器的整体响应性。

“如果传感器表面电荷发生微小化学变化，我们会看到由于反馈系统，测量结果会乘以10倍，”Kammarchedu说。“这让我们能清楚地看到化学读数的极小变化。”

从纳米制造实验室到测试板

团队利用宾夕法尼亚州立大学纳米制造实验室制造晶体管，在硅晶圆基层上构建超薄金属、绝缘氧化层和单原子厚的石墨烯层——硅晶圆是硅晶圆的抛光盘，是芯片制造的基础材料。随后，他们将多个传感器直接集成到一系列定制电路板中，再将它们接线连接在一起。为了测试设计，团队在传感器接入电路板后，加入含有不同生物和化学化合物的液体溶液，测量传感器追踪每个样品内容的能力。

“我们可以集成多达32个传感器，并在没有电气干扰的情况下独立测量每个传感器，”Kammarchedu说。“通过将这些电路板阵列堆叠在一起，我们可以扩大系统中传感器的数量，同时保持传感器本身非常小。”

团队的传感器灵敏度是其他传统单栅场效应晶体管的20倍，信号漂移也减少了15倍。据Ebrahimi介绍，传感器的另一个重要亮点是它们能够有效监测多种化学和生物靶点——包括大脑中的多巴胺和血清素等神经递质;IL-6，一种主要负责炎症的蛋白质因子;以及PFAS，这些有害合成化学物质存在于受污染的水中，以及其他环境中。

“这些晶体管不仅对电噪声和信号漂移具有高度的抵抗力，我们引入的工程改进也大幅提升了它们的灵敏度，”Ebrahimi说。“这使得传感应用极为广泛。它们能够在医疗应用、农业和环境监测中高效检测低浓度的化学物质和生物分子。”

迈向实际诊断的下一步

团队计划继续开发传感架构，并为商业应用做准备。目前，他们正在优化传感器以识别与帕金森病相关的挥发性有机化合物。Ebrahimi表示，通过更早发现这些标志物，临床医生有望改善早期干预。研究人员还在探索在架构中使用不同的二维材料，以可能提升设备的传感能力。

“宾夕法尼亚州立大学是材料领域的领导者，因此我们非常期待继续探索系统在不同二维材料上的运作方式，以及是否能用除石墨烯以外的材料优化性能，”Ebrahimi说。“我们的紧凑系统弥合了纳米材料与实用便携诊断工具之间的鸿沟。该架构已经实现了微型化，可大规模实现，并可直接集成到传统电路板和集成电路格式中。”

Vinay Kammarchedu 等，《用于低噪声、漂移稳定和可调化学传感的主动双门石墨烯晶体管》，npj 2D 材料与应用（2026）。DOI：10.1038/s41699-026-00674-5

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