基于胺功能化石墨烯通道的液栅场效应晶体管在生物传感中的应用研究

推荐：为解决石墨烯表面惰性导致的生物分子结合难题，研究人员开发了胺功能化等离子体聚合涂层修饰的石墨烯场效应晶体管(LG-GFET)。通过监测狄拉克点(Dirac point)偏移，实现了对链霉亲和素-生物素复合物的高灵敏度检测(最低0.1 nM)。该研究为开发稳定、高灵敏的生物传感器提供了新策略。

　　

在生物传感领域，石墨烯因其独特的能带结构和超高灵敏度被视为理想材料，但表面化学惰性严重制约其实际应用。传统非共价修饰易脱落，共价修饰又易损伤石墨烯晶格结构，这一矛盾长期阻碍着石墨烯生物传感器的发展。与此同时，现有检测技术面临灵敏度不足、稳定性差等挑战，特别是对低浓度生物标志物的检测仍存在重大技术瓶颈。

针对这些关键问题，来自比利时那慕尔大学的研究团队在《Biosensors and Bioelectronics: X》发表创新性研究。他们采用环丙胺(CPA)等离子体聚合技术，在石墨烯表面构建富含氨基的聚合物薄膜(CPA-PPF)，既解决了表面修饰难题，又保持了石墨烯优异的电学性能。通过将生物素共价接枝到胺基团上，成功开发出基于液栅石墨烯场效应晶体管(LG-GFET)的生物传感器平台。

研究主要采用四大关键技术：1）大气压化学气相沉积(APCVD)制备高质量石墨烯；2）电感耦合等离子体(ICP)聚合制备胺功能化涂层；3）X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱表征材料化学结构；4）液栅场效应晶体管电学测试系统监测狄拉克点偏移。

研究结果部分：
3.1 XPS分析显示10 sccm CPA+10 sccm Ar条件下制备的CPA-PPF薄膜具有最佳氨基密度和结合稳定性，氮元素特征峰位于399 eV。

3.2 共聚焦显微镜证实只有生物素修饰的样品能特异性结合荧光标记链霉亲和素，荧光强度比对照组高30倍，验证了修饰策略的有效性。

3.3 SEM和拉曼 mapping显示CPA-PPF涂层均匀，虽然引入约5.3×10¹¹ cm^-2缺陷密度，但显著提高了后续生物分子固定能力。XPS硫元素分析证实了生物素的成功固定。

3.4 电学测试表明，修饰后的LG-GFET电子迁移率达2200 cm²V^-1s^-1，比裸石墨烯提高25倍。通过监测狄拉克点偏移，实现对链霉亲和素的梯度浓度检测(0.1-2000 nM)，拟合得到解离常数K_d=2.5×10^-10 M。

该研究突破性地解决了石墨烯生物传感器表面修饰的关键技术难题，首次将等离子体聚合胺功能化与LG-GFET技术相结合。所开发的传感器具有三大优势：1）检测限低至0.1 nM；2）采用标准偶联化学实现生物分子稳定固定；3）液栅结构相比背栅器件具有更高灵敏度和操作便利性。研究不仅为生物传感提供了新方法，其表面修饰策略还可推广到其他二维材料的功能化应用。未来通过优化缺陷控制和引入特异性识别分子，该平台有望应用于疾病标志物检测、环境监测等多个领域。