石墨烯场效应生物传感器的制备与性能研究

Graphene devices have high sensitivities and low noise advantages, however, applications on biology are limited by the zero bandgap of graphene and double layer phenomenon in solution. In this project, firstly, few-layer graphenes are synthesized via chemical vapor deposition process. Then graphene field-effect transistors are fabricated using semiconductor technologies. Aromatic and silane groups are physically adsorpted or covalently coupled to the surface of graphene. Organic groups not only play significant roles in band structure regulation of graphene, but also are used to immobilize myocardial infarction biomaker (cTnI). During the biosensing process, ion concentration and operating frequency have important implications on the double layer phenomenon. These studies improve the sensitivities and detection ranges of graphene based biosensors. The crucial factors and mechanism of graphene biosensors are investigated through technologies of new materials, semiconductors and biology. This project benifits on not only the band structure regulation of graphene, but also fabrication and corresponding researches of new biosensors.

石墨烯器件具有灵敏度高、噪声低等优点，但零禁带宽度及溶液中带电介质的双电层现象限制了石墨烯在场效应生物传感领域的进一步应用。本项目利用表面化学修饰调控石墨烯能带结构，采用交流与直流电场耦合的方式降低双电层对生物传感器的影响。首先以化学气相沉积法生长少层石墨烯薄膜，然后采用光刻、金属剥离等半导体工艺制备石墨烯场效应晶体管，通过物理吸附、共价偶联等方法在其表面修饰芳香族、硅烷类有机分子，并固定生物抗体蛋白质分子，完成器件生物功能化。通过研究溶液离子浓度及器件工作频率对双电层现象的影响，提高传感器对抗原蛋白的响应灵敏度与检测范围。本项目以石墨烯场效应生物传感器的制备以及生物信号响应研究为核心，采用新型材料、半导体工艺与生物技术相结合的研究手段，探索石墨烯能带调控方式，优化器件场效应性质，研究高频工作模式，提高传感器灵敏度，为新型生物传感器的构建及其响应机制研究提供科学指导意义。

石墨烯作为一种新型材料，具有导电性好、半透明、化学稳定性好等优点，因此可作为一种具有重要潜力的生物材料。本项目就石墨烯的化学合成、器件制备、生物化学改性以及生物传感等内容开展研究。我们利用CVD方法合成大面积单层或少层石墨烯，并在此基础上开展材料转移与器件制备工作。通过对石墨烯的表面进行化学改性，调整材料物理化学性质，调控其电学输运性质。最后，在此基础上，进行石墨烯器件的生物传感研究。在此之外，我们利用项目开展过程中石墨烯的表面改性方法、开展了石墨烯作为细胞培养材料以及相关的光学生物传感研究。