石墨烯传感器在液态环境下保持稳定，灵敏度提升至20倍
精准检测生物标志物（如蛋白质与神经递质）或水体中的微量有害化学物质，对于预防潜在健康和环境风险至关重要。尽管现有传感器已具备一定检测能力，但仍面临诸多技术挑战。以场效应晶体管（FET）为例，这类器件在控制电流流动方面表现出色，但其在液体环境中的稳定性仍存在较大问题。
近日，宾夕法尼亚州立大学的研究团队开发出一种新型场效应晶体管，可在高含水量环境中实现响应性强且高度灵敏的检测。该团队的传感器对多种化学和生物信号的响应灵敏度提升了最高20倍，如水中污染物或多巴胺浓度。相关成果已发表于《npj 2D Materials and Applications》。
石墨烯晶体管应对信号漂移挑战
该技术基于石墨烯材料，这是一种厚度仅几原子层的二维导体，因其高电导率与环境敏感性而广泛应用于传感器领域。传统上，生物传感器中的场效应晶体管多采用硅材料，但近年来二维材料因其独特性能逐渐受到重视。
电气工程助理教授Aida Ebrahimi指出，当这类传感器暴露于液体中时，常出现信号漂移现象——即在测量条件不变的情况下，读数逐渐发生偏移，从而影响准确性。
Ebrahimi表示，除信号漂移外，传统场效应晶体管还面临电泄漏及扫频测量技术引起的不稳定性问题，这极大地削弱了其在生物接口应用中的可靠性。
电气工程博士生Vinay Kammarchedu将场效应晶体管的运行机制类比为水槽中的水龙头。当“水龙头”（即栅极）开启时，电流得以通过；而当“水龙头”关闭时，电流中断。然而，传统传感器需要频繁调整这一“开关”，从而导致系统不稳定及测量误差。
双门结构与反馈机制实现更高稳定性
“我们对晶体管结构进行了改进，引入双栅极设计，使电流控制更加精细。”Kammarchedu解释道，“通过双门控制，系统能维持电流恒定，从而有效抑制信号漂移。”此外，他们还在其中一个栅极上集成反馈机制，以更精确地反映分子对传感器电压的影响。
Kammarchedu进一步说明，反馈机制利用了上下栅极间不同的电容特性——上栅的电容是下栅的十倍，具有更高的环境敏感性，而下栅则提供了结构上的电子稳定性。这种栅极间的协同作用增强了通过晶体管的信号强度，从而显著提升了传感器的响应能力。
“当传感器表面的电荷发生微小化学变化时，反馈系统会将这一变化放大10倍，从而使化学浓度的微小变化清晰可测。”Kammarchedu补充道。
从实验室制造到测试验证
研究人员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备工作。该装置基于硅晶圆构建，依次沉积了超薄金属层、绝缘氧化层和单原子厚的石墨烯层。随后，多个传感器被集成到定制电路板中，并通过线路连接以形成完整的测试系统。
测试过程中，研究人员将含有多种生物和化学成分的液体溶液引入系统，评估传感器对不同样品的识别能力。“我们最多可同时集成32个传感器，并独立获取每个传感器的信号。”Kammarchedu表示，“通过堆叠电路板，传感器数量可进一步扩展，同时保持其小型化优势。”
实验结果显示，该传感器的灵敏度是传统单栅场效应晶体管的20倍，信号漂移减少了15倍。Ebrahimi指出，这些传感器还可同时监测多种靶点，包括大脑中的多巴胺和血清素，以及IL-6这类促炎因子，以及存在于污染水体中的PFAS合成化学物。
“这些晶体管具备出色的抗干扰能力，并通过结构优化显著提升了灵敏度。”Ebrahimi强调，“它们在医疗、农业和环境监测等领域的应用前景广阔，能够实现对低浓度化学与生物分子的高精度检测。”
推动实用化诊断的发展
研究团队正致力于进一步优化传感架构，以满足商业应用需求。目前，他们聚焦于开发能够检测与帕金森病相关的挥发性有机物的传感器，以期实现更早的疾病干预。
此外，团队也在探索使用其他二维材料替代石墨烯，以期进一步提升传感器性能。“宾夕法尼亚大学在材料科学方面处于全球领先地位。”Ebrahimi表示，“我们期待探索更多材料组合，以验证系统在不同二维材料上的表现，并推动高性能传感器的实际应用。”
该研究不仅在技术层面实现了突破，同时为微型化、可扩展的传感器系统提供了新的设计思路，具备良好的商业化潜力。
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