湖南省先进传感与信息技术创新研究院在高精度生物传感器领域取得重要进展

来源：两江科技评论

导读

快速便捷检测超低浓度的疾病相关标志物对疾病的早期诊断至关重要。而场效应晶体管（FET）为基础的生物传感器有潜力满足下一代的医疗诊断设备高集成度、高灵敏度、高可靠度、便携的核心要求。半导体型碳纳米管（CNTs）拥有超薄尺寸、优异的电学性能、良好的稳定性和生物相容性，被认为是构建超灵敏FET型生物传感器的理想沟道材料。然而大规模制备超灵敏碳基场效应晶体管（CNT-FET）生物传感器仍然是一个挑战。同时，已报道的碳基场效应晶体管生物传感器采用沟道直接暴露的器件，导致了多种竞争机制对碳管沟道产生复杂的影响，极大降低了生物传感器的灵敏度和器件均一性。

近日，湖南先进传感与信息技术创新研究院张志勇教授团队在碳基生物传感研究方向取得重要进展。该工作在实验上展示出浮栅型碳基场效应晶体管（Floating Gate-Carbon nanotube-Field-Effect Transistor （FG-CNT-FET））器件与生物传感相结合的性能优势，实现了碳基生物传感器的规模化制备和高灵敏度的性能统一，为推进碳基传感器的集成化，实用化奠定了基础。

晶圆级制备的浮栅型碳基生物传感器及器件结构

创新研究

研究团队采用聚合物筛选出的超高纯度半导体碳纳米管制备的网络状薄膜，实现了碳纳米管场效应晶体管的晶圆级规模制备，器件成品率达100%，解决了制约碳纳米管场效应晶体管生物传感器批量制备的一大难题。在此基础上研制一种顶栅为氧化钇绝缘层的浮栅式碳纳米管场效应晶体管生物传感器，介质层的存在避免了碳纳米管与生物分子之间直接的复杂的相互作用带来的负面影响，同时为器件功能化提供了一个通用平台，并且有效的改善了生物传感器的灵敏度和可重复性。

批量制作的CNT FET器件电学表征以及浮栅型生物传感器原理图示

此传感平台被用于筛查帕陶综合征的DNA片段和肝癌细胞囊泡的检测，在不同传感器之间均展现出良好的均一性，稳定性和线性度，并可实现理论检测下限分别低至60 aM和 6 particles/mL，展示出了碳基生物传感平台在核酸和生物结构直接检测方面的应用前景。此外，该生物传感器在4英寸晶片上表现出的高度均一性以及优越的稳定性。结合碳纳米管的集成电路最新进展，在此开发的生物传感器平台在高度集成和多路复用的碳基集成传感器系统中具有巨大潜力。

多功能碳基生物传感平台的用于疾病相关标志物检测

2020年6月26日，该成果以《用于超灵敏无标签疾病标志物探测的晶圆级均一碳纳米管晶体管》 （Wafer-Scale Uniform Carbon Nanotube Transistors for Ultrasensitive and Label-Free Detection of Disease Biomarkers）为题，在线发表于 《美国化学会·纳米》（ACS Nano）（文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c03523）。湖南先进传感与信息技术创新研究院为文章的第一单位，研究院首届硕士研究生梁玉琪与北京大学碳基电子学研究中心肖梦梦博士作为文章的共同第一作者，张志勇教授为文章的通讯作者。湖北中医药大学张国军教授团队提供了肝癌囊泡的制备和生物学表征，研究院院长、北京大学电子系教授彭练矛院士对研究方案提出和论文撰写提供了指导。该工作得到了湖南省科技厅重大项目、国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。

总 结

湖南先进传感与信息技术创新研究院是在湖南省人民政府支持下，由北京大学和湘潭大学在2018年合作共建的新型产学研相结合的平台，合作开展重大基础研究、前沿技术研发和相关产业培训，推动国际一流学科建设和人才培养，旨在建设成为碳基纳米电子器件和新型高端传感器研究的国家创新中心和国内一流的技术产业推进中心。目前研究院以建设成为中南地区最先进，国内领先水平的微纳器件加工实验室，引进包括中科院院士、国家万人领军人才等一批高端技术人才，招收硕士博士生40余名。研究院在碳基纳米电子器件、柔性电子器件、新型传感器研发和传感器系统应用研究等方面均取得重要进展，并与一流企业积极开展产学研合作，将相关研究成果尽快推向市场。