基於半導體的無標記納電子生物化學傳感技術與需要對分子進行標記的基於光學/磁學的檢測分析方法相比，在便捷性、實時性上有更好的表現。石墨烯場效應生化傳感器是一種離子敏感型場效應晶體管，它通過探測石墨烯通道在離子或生物化學分子結合時由於場效應發生的電導變化進行傳感。使用不同構型（背柵或液柵）的石墨烯場效應管，可以在不同環境（氣相或液相）下進行生物化學傳感。由於其極高的載流子遷移率和較低的電噪聲，受到廣泛的關注。石墨烯納電子生物化學傳感器的最新研究使在極低濃度下精確監測人體的生物標誌物及環境中的化學物質成為可能，在早期診斷和環境評估方面有著極其巨大的應用潛力。然而，基於電荷檢測的石墨烯場效應傳感器在實際應用中存在一些亟待解決的難題，它們主要來源於生化檢測環境的複雜性，其中包括檢測環境中存在大量離子會對目標分子產生徳拜屏蔽作用，因此必須設法克服該效應才能實現生理溶液中的原位傳感。同時，需要考慮背景離子在傳感器表面的可能吸附及影響。
清華大學符汪洋課題組系統介紹了石墨烯生物化學傳感器方面的最新研究成果，提出了提升傳感性能的兩大策略，即表面特異修飾和新型測量原理及方法。該綜述詳細介紹了器件原理、結構設計、表面功能化處理及新型測量手段，並例舉了該傳感器在各領域中的應用前景，最後對該領域的研究現狀進行了評述和展望。 為進一步提升石墨烯納電子生物化學傳感器的檢測靈敏度，包括特異識別的準確度和檢測極限，以及開發在實際複雜環境條件下的應用，該團隊利用石墨烯獨特的電學性能，從傳感器表面特異性修飾及新型電學測量原理方法兩方面進行研究，有效提升了器件性能。首先，要實現石墨烯生化傳感器對目標分子的特異性識別，必須通過共價/非共價功能化的方法在石墨烯表面引入受體分子。不同生化分子對石墨烯表面的化學功能化和處理，一方面提升了其傳感的靈敏度，另一方面也可對石墨烯表面進行鈍化以抑制非特異性吸附帶來的不良影響。其次，複雜的傳感環境要求生物傳感器必須能夠克服外界噪聲的干擾，以及生理溶液中離子氛的屏蔽。該團隊開發出在電中性點附近的雙極性測量以及高頻測量等手段，可實現石墨烯生化傳感器的低噪聲、高靈敏度檢測。此外，通過柵電壓調節石墨烯費米能級，石墨烯通道的載流子在空穴態與電子態之間連續變化，產生雙極性行為。偏置該場效應晶體管，則可在漏極得到具有較高輸出純度和增益的二倍頻信號，該信號有更好的漂移特性和信噪比。特別地，石墨烯場效應晶體管使用傳統直流或低頻測量時會受到生理溶液中移動離子的屏蔽作用（即徳拜屏蔽）而無法進行有效檢測。而石墨烯的高載流子遷移率使得采用高頻測量手段克服徳拜屏蔽作用成為可能，從而實現了石墨烯場效應生化傳感器直接在生理溶液中的高靈敏度檢測，且該檢測方法無需對受體分子進行特殊設計。
回顧當前研究，以石墨烯為代表的二維材料生物化學傳感器已經在環境監測、人類健康、醫學診斷和生物化學研究等多個領域發揮作用。研究者相信，隨著研究的進一步深入開發，擁有獨特電學性能的石墨烯有望滿足下一代生物化學傳感器的更高需求，特別是結合石墨烯的表面功能化、多頻雙極檢測和高頻檢測等手段後。相關論文以“Ultrasensitive Field‐Effect Biosensors Enabled by the Unique Electronic Properties of Graphene”為題，在線發表在Small (DOI: 10.1002/smll.201902820)上。該工作得到國家自然科學基金委及新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室的經費支持。
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