用于多种标志物癌症联检的全固态石墨烯电子学生物传感器研究

The multi-biomarker joint test is a significant analytical approach, which supplies important information for the early-stage auxiliary risk assessment of clinical cancer diagnosis and therapy. For these reasons, multi-biomarker joint test techniques with non-substitutable usage are eagerly desired. Since the nanoelectronic sensor devices performing unique merits, such as high performances, device integration and convenient application, nanoelectronic biosensors might be a promising candidate as the high-performance analytical tool of multi-biomarker joint test. Based on the integrated circuit ( IC ) device techniques, we here propose an investigation of novel graphene nanoelectronic biosensors for the high-performance multi-biomarker joint tests of cancer risks. In addition to the superior electrical amplification capability from the intrinsic high carrier mobility advantage of graphene, our sensor devices are expected to realize the fully solid-state structure, which may overcome the issues of existing techniques, such as complicated mechanical instrumentation, performance instability, incompatible sensing principles, and thus supply more advanced and convenient scenarios. Our investigation basically focuses on the following aspects: (1) We will design and fabricate the novel fully solid-state sensors to improve the stability and reproducibility in biosensing tests. (2) We manage to enhance the electrical gain, as well as sensitivity performance of our new sensors by optimizing the device structure. (3) On the basis of the new sensor devices, we will develop the convenient and efficient multi-biomarker joint test scenarios, which possess the general customization potential for diverse cancer biomarkers.

癌症标志物的组合联检是提示早期癌症风险的重要方法，具有不可替代的价值和迫切的现实需求。纳米电子学传感器因其高性能、微型化、操作便捷等优势，有潜力为实现常态化的多标志物癌症联检提供高性能的分析工具。本课题拟使用已知最灵敏的电子学敏感材料石墨烯，在IC器件工艺与技术的基础上，研制一类可用于多标志物癌症联检的高性能石墨烯电子学传感器件。在充分发挥石墨烯材料超高载流子迁移率赋予的高效放大电信号能力的前提下，实现一种完全固态结构的新型传感器件，克服现有技术存在的外部结构复杂、性能稳定性不足、多标志物检测机制通用性较低等问题，以期为癌症标志物组合联检提供全新解决方案。课题研究内容主要包括：（1）设计实现全固态集成器件，保证检测性能的高度一致性与重复性；（2）优化器件结构，提升器件灵敏度；（3）开发具有通用化设计潜力的多标志物联检方案，实现快捷、高效、可订制的癌症联检。

本项目以实现对多种癌症标志物的无标记特异性亲和检测为目的，对石墨烯场效应管器件GFET及其生物传感进行了研究。研究工作主要涉及石墨烯的电子输运性质、兼容CMOS工艺的GFET器件结构、GFET生物传感器改造策略、生物分子亲和过程的电信号响应原理等方面的内容。具体来说，本项目获得了以下研究成果：（1）使用高介电常数HfO2固态电介质完全封闭石墨烯导电沟道的全固态GFET器件，证实了全封闭结构可隔绝环境污染物，使石墨烯载流子迁移率长期稳定保持在较高水平。（2）实现了兼容于典型CMOS工艺的全固态GFET器件批量流片，整晶圆加工的同批次器件的电气性能高度一致，且可通过调整器件特征尺寸实现电气性能的可靠调整。（3）基于全固态GFET器件成功开发了使用巯苯基小分子连接体的生物修饰策略，总结了生物分子电荷在特异性亲和作用过程中的转移规律和施加电场效应的数学模型。（4）实现了在生物传感中对被测分子转移生物电荷的精确定量，并以此实现了对以癌症标志物为代表的无标记电子学生物传感器解决方案。（5）基于实验结果发现并总结了GFET器件放大栅极电信号具有高度线性的新特性，结合本项目实现的整晶圆高一致性批量流片工艺，实现了集成多个GFET器件的模拟放大集成电路验证。综上所述，本项目以生物传感器应用作为研究起点，不仅实现了对现有GFET生物传感器在结构、性能、实用性、可靠性等方面的改进与提升，为实现癌症标志物的快速定量检测提供了一种新的可行途径，而且通过对GFET器件的深入研究，验证了使用GFET器件实现集成电路的可行性和实现高线性度模拟放大的未来前景，为实现具有更大增益、更高精度的碳基模拟集成电路打下了基础。基于上述研究成果，本项目的负责人作为通讯作者已在Nano Letters、Small、IEEE Transactions on Electron Devices、IEEE Electron Device Letters等知名期刊发表7篇研究论文，授权发明专利2项。在项目负责人课题组参研本项目的学生中，因与本项目相关的成果，3人获得国家奖学金、2人获得天津市政府奖学金。