石墨烯场效应晶体管微阵列：制备方法简单、稳定性优异，且在生物检测中具有高灵敏度

《Biosensors and Bioelectronics》：Graphene field-effect transistor microarray with simple preparation method, good stability, and high sensitivity for bioassay

　　

冯卓然|周春涛|王一文|董晓|朱焕宇|宋浩志|杨荣利|吴硕

中国大连理工大学化学学院

摘要

具有多个通道、极小尺寸、高检测通量和高灵敏度的石墨烯场效应晶体管（GFET）微阵列在生物检测、临床诊断和健康监测方面展现出巨大潜力。然而，其广泛应用受到高成本、复杂制备过程以及在水中分析性能不佳的限制。为了解决这些问题，我们开发了一种结合滴涂、化学还原、低温热处理和氧等离子体处理的简单方法，用于在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上制备高度稳定且灵敏的8通道GFET微阵列。该微阵列在水中的电性能可保持长达32天，并且能够经受多次高温和低温处理而仍保持良好性能。基底与还原氧化石墨烯之间的强粘附性有助于轻松制备具有高电导率和丰富羧基团的氧化石墨烯/还原氧化石墨烯异质结构通道，这显著提高了探针密度，最终将白细胞介素-6（IL-6）和DNA的检测限降至飞摩尔（fM）水平。此外，该生物传感器能够可靠地定量检测复杂败血症患者血清中的IL-6。鉴于其良好的分析性能和简单的制备策略，这种方法可能为GFET微阵列在生物检测中的实际应用铺平道路。

引言

由于高灵敏度、高检测通量、极小尺寸以及与自动化设备集成可行性，石墨烯场效应晶体管（GFET）微阵列在临床诊断（Huang等人，2024a，2024b；Kumar等人，2023）、健康监测（Tong等人，2025）、环境监测（Seo等人，2025；Tian等人，2022）等领域受到了广泛关注。通常，GFET微阵列由三个部分协同工作：石英或硅晶片作为支撑基底，化学气相沉积（CVD）的石墨烯作为通道，金电极作为源极、漏极和栅极电极。通过在石墨烯通道或栅极电极上组装生物识别单元（Kim等人，2024），GFET生物传感器能够高灵敏度地检测多种分析物，如DNA（Xu等人，2017）、RNA（Hwang等人，2020；Yang等人，2023）、蛋白质（Ciou等人，2023；Herdina等人，2025）、细菌（Li等人，2025）、离子（Fakih等人，2020）以及小分子，理论上其灵敏度可达到单分子水平（Hao等人，2024）。确实，使用CVD石墨烯作为通道制备的GFET微阵列表现出优异的性能。然而，这种制备过程涉及多个步骤，如高温热解、湿法转移、光刻图案化和后修饰。这一过程不仅耗时且能耗高，还会引入皱纹（J. Gao等人，2022；Li等人，2022）、裂纹和有机残留物（Wang等人，2024）等问题，严重降低了GFET微阵列的大规模应用和商业化潜力。

作为一种替代方案，还原氧化石墨烯（RGO）通道表现出与CVD石墨烯相当的性能（Feng等人，2013），同时通过滴涂法（Lei等人，2017）实现低成本和简单制备。然而，RGO的高缺陷密度（Kim等人，2008）及其对石英和硅基底的弱粘附性（Song和Cho，2010）降低了载流子迁移率，并在通道下方形成水层（Lee等人，2012），严重影响了设备的灵敏度和稳定性。为了解决这些问题，人们探索了多种策略，包括聚合物封装（Piccinini等人，2017）、多巴胺修饰（Zhao等人，2019）、Al₂O₃界面层（Park等人，2015）和GO/RGO异质结构（X. Gao等人，2022）。然而，额外的涂层会缩短德拜屏蔽长度，可能降低灵敏度，而异质结构的制备仍然复杂、对操作者要求高且容易发生石墨烯脱落。总体而言，现有的RGO-GFET仍不如CVD石墨烯器件，因此迫切需要一种简单、低成本、高性能的GFET微阵列制备策略。

本文提出了一种制备基于RGO的GFET微阵列的简单方法，该微阵列在生物样本中对蛋白质和单链DNA（ssDNA）的检测具有良好的稳定性和高灵敏度（图1）。与CVD方法相比，该方法采用全溶液、低温制备路线，避免了CVD所需的高温和复杂的湿法转移过程。此外，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）与RGO之间的强粘附性以及GO/RGO异质结构的协同设计，实现了长期的水稳定性，同时保持了高电导率和丰富的羧基团以用于探针固定。作为概念验证，该微阵列在柔性PET基底上设计了8个通道（每个20×100μm）。在长期检测过程中，未观察到RGO通道与PET基底之间有水层。该设备在水溶液中稳定运行了32天，并经受住了多次加热/冷却循环。使用IL-6和ssDNA作为模型目标，分别获得了0.022 pg/mL和3.98 fM的检测限，与CVD石墨烯基GFET相当甚至更优。该微阵列的优异分析性能主要归功于GO与PET之间的强粘附性、RGO的可接受电导率、GO上的丰富羧基团用于探针修饰，以及石墨烯通道制备过程与微纳制造技术的良好兼容性。此外，在检测败血症患者血清中的IL-6时，该微阵列表现出高准确性和良好的重复性，表明其在复杂生物环境中的巨大应用潜力。

章节摘录

在玻璃和PET上制备RGO薄膜

将3英寸玻璃片（GS）置于氧等离子体处理400秒，然后浸入含有1% 3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）的无水乙醇溶液中。2小时后，取出玻璃片，用无水乙醇冲洗以去除非特异性吸附的APTES，并在氮气流下干燥。处理后的APTES-GS和PET经过清洗后，向传感区域滴涂5 μL浓度为0.04 mg/mL的水溶性GO溶液。待溶剂完全蒸发后，

以RGO为通道的GFET微阵列的制备与表征

如图S2所示，通过滴涂、化学还原和低温加热制备的RGO在基底上形成了均匀薄膜。原子力显微镜（AFM）测量显示薄膜厚度约为2-3 nm。考虑到单层GO及其还原衍生物的AFM厚度通常约为1 nm（Sim等人，2021），观察到的2-3 nm厚度与2-3层堆叠的RGO结构一致。使用微纳制造技术对RGO薄膜进行图案化和阵列化

结论

本研究通过滴涂和低温化学还原在柔性PET基底上制备了一种高度稳定、灵敏且选择性的GFET微阵列，成功实现了IL-6蛋白和ssDNA的超灵敏检测。PET基底的芳香结构和酯基增强了其与RGO的结合亲和力，使得制备的GFET微阵列在水溶液中能够保持电性能长达32天。

CRediT作者贡献声明

冯卓然：数据整理、验证、初稿撰写。周春涛：概念构思、正式分析、研究方法。王一文：数据可视化。董晓：软件开发。朱焕宇：软件支持。宋浩志：正式分析。杨荣利：资源协调。吴硕：项目管理、监督、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（编号22274015）、大连市生命与健康领域指导项目（编号2022ZXYG26）、辽宁省应用基础研究项目（编号2023JH2/101300114）以及大连理工大学的杰出本科生基础研究项目（编号XJ2025003601）的财政支持。