石墨烯晶体管在液体环境中保持高稳定性，灵敏度提升达20倍
科技研习社
石墨烯晶体管在液体环境中保持高稳定性，灵敏度提升达20倍
精准检测生物标志物如蛋白质或神经递质，以及水源中的微量有害化学物质，有助于在问题造成严重影响之前及时发现。尽管目前已有传感器能够监测这些微观成分，但许多技术仍存在局限。以场效应晶体管（FET）为例，这类器件虽然能够通过控制电流实现检测，但在液体环境中往往难以维持稳定性。
宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发出一种新型场效应晶体管，该设计在液态环境中表现出强响应性与多功能性，适用于生物体等复杂液体系统。该团队所研发的传感器在检测生物和化学信号方面展现出高达20倍的灵敏度提升。研究结果已发表于《npj 2D Materials and Applications》。
石墨烯晶体管应对信号漂移问题
这项技术以石墨烯为基础材料。石墨烯作为一种二维材料，具备出色的导电性和环境敏感性，但其厚度仅在原子级别，这使它在生物传感领域具有独特优势。尽管传统FET多以硅为材料，但近年来，二维材料如石墨烯在该领域的应用日益广泛。
电气工程副教授Aida Ebrahimi指出，传统FET在液体环境中容易发生信号漂移，即使输入条件未变，输出读数也会逐渐变化，从而影响测量准确性。
Aida Ebrahimi（左）与Vinay Kammarchedu合作设计了一种改进的场效应晶体管结构，显著提升了传感器的灵敏度与稳定性。图片来源：Jaydyn Isiminger/宾夕法尼亚州立大学
Ebrahimi强调，除了信号漂移，传统设备还面临电泄漏和扫频不稳定等问题，后者是一种常见的测量手段，却容易随时间推移导致性能下降。“这使得此类晶体管难以用于生物植入设备或其他需要与液体接触的系统。”
Vinay Kammarchedu解释，场效应晶体管的工作机制类似于水龙头的控制。当栅极开启，电流得以通过；关闭时则停止流动。然而，传统的测量方法需要频繁调整“开关”状态，这种反复操作导致系统不稳定，进而影响检测精度。
双门结构与反馈机制增强系统稳定性
“我们改进了晶体管结构，采用双门设计而非单门，从而实现对电流的独立控制。”Kammarchedu表示，“这种设计使系统能够维持恒定电流，有效减少信号漂移。此外，我们在其中一个门上引入了反馈机制，以更精确地追踪分子对电压的影响。”
反馈系统利用上下栅极之间的电容差异，上栅的电容是下栅的10倍，具有更强的环境响应性，而下栅则提供刚性的电子支撑。通过这种组合，信号在晶体管中被放大，从而显著提升了传感器的响应能力。
“若传感器表面因化学变化产生微小电荷变化，反馈机制能使测量结果放大10倍。”Kammarchedu解释，“这使我们能够精准捕捉到极低浓度的化学信号。”
从纳米制造到实际应用
研究团队在宾夕法尼亚州立大学的纳米制造实验室中完成了晶体管的制作，采用硅晶圆作为基底，构建了超薄金属层、绝缘氧化物层和单原子层的石墨烯材料。随后，研究人员将多个传感器集成至定制电路板，并通过线路连接测试其性能。
“我们可以在一块电路板上集成最多32个传感器，并且每个都能独立运行，不会受到电气干扰。”Kammarchedu介绍，“通过堆叠电路板，系统可轻松扩展，同时保持传感器体积小巧。”
实验显示，新型传感器的灵敏度较传统单栅FET提升20倍，信号漂移减少达15倍。此外，该传感器可检测多种目标物，包括大脑中的神经递质多巴胺与血清素、炎症因子IL-6，以及存在于受污染水源中的有害化学物质PFAS。
Ebrahimi指出：“这些晶体管不仅对电噪声和信号漂移具有高抗性，而且结构改进显著提升了灵敏度。它们具备广泛应用潜力，可用于医疗诊断、农业检测以及环境监测等领域，特别是在低浓度生物分子和化学物质的检测中具有明显优势。”
推进面向临床的应用研究
研究团队正致力于进一步优化传感器架构，推动其走向商业化应用。当前，他们正探索使用该系统检测与帕金森病相关的挥发性有机化合物，以便在早期阶段实现疾病识别。
Ebrahimi表示，团队也在尝试在架构中引入其他二维材料，以探索是否能进一步增强其传感性能。“宾夕法尼亚州立大学在材料科学领域处于领先地位，我们期待继续研究不同二维材料对系统性能的影响，以及是否能够以非石墨烯材料实现性能优化。”
“我们的系统设计紧凑，已经具备微型化和可扩展性，能够直接集成到传统电路板或集成电路中，为实用化的便携式诊断工具奠定基础。”
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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