石墨烯传感器在液态环境下实现显著稳定性与灵敏度提升
在医疗与环境监测领域，对微量生物标志物或有害化学物质的精准检测至关重要。这类物质在早期被识别，有助于在问题扩大之前采取预防措施。尽管当前已有多种传感器可用于监测这些目标分子，但它们在液体环境中的稳定性与准确性仍存在一定局限。
场效应晶体管（FET）是广泛用于传感的器件之一，能够在电场调控下调节电流流动。然而，当这类器件暴露于液体环境中时，往往难以维持稳定运行。为应对这一挑战，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，能够在液态介质中提供高响应性与高灵敏度的检测。
双门石墨烯晶体管改善信号漂移问题
该技术基于石墨烯材料，这是一种具备优异导电性和高环境敏感性的二维材料。传统用于生物传感器的场效应晶体管多以硅为基材，但近年来，石墨烯等二维材料因其独特性能而被广泛研究。
论文通讯作者、电气工程早期职业副教授Aida Ebrahimi指出，将石墨烯场效应晶体管（GFET）置于液体中时，常出现信号漂移现象，即传感器读数随时间缓慢变化，即使输入条件不变，也会导致测量结果失真。
Aida Ebrahimi（左）与Vinay Kammarchedu共同开发了这种改进型场效应晶体管，实现了超灵敏且耐用的传感性能。图片来源：Jaydyn Isiminger/宾夕法尼亚州立大学
除了信号漂移问题，传统GFET在测量过程中还会面临电泄漏及扫频导致的不稳定性。扫频是一种常见的测量手段，但其频繁操作会降低传感器的长期可靠性，从而限制其在生物接口应用中的使用，例如植入式设备。
双门控制与反馈机制增强系统稳定性
“我们通过引入两个独立栅极取代传统的单栅设计，实现了对电流流动的精细控制，”论文第一作者Vinay Kammarchedu表示。“利用双门机制，我们可以在保持电流恒定的同时，有效抑制信号漂移。”
此外，研究团队还在其中一个栅极上引入了反馈回路，用于更精确地捕捉分子对传感器电压的影响。Kammarchedu进一步解释道，上栅极的电容比下栅极高10倍，因此对环境变化更为敏感，而下栅极则承担着维持系统稳定性的角色。两者之间的协同作用显著增强了信号放大能力。
“当传感器表面发生细微的电荷变化时，反馈系统会将测量信号放大10倍，”Kammarchedu补充道。“这使得我们能够捕捉到极微量的化学变化。”
纳米制造与电路集成实现规模化应用
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。他们在硅晶圆基底上构建了超薄金属层、绝缘氧化物层及单原子层石墨烯。随后，将多个传感器集成于定制电路板中，并通过连线连接以实现协同工作。
为了验证传感器性能，研究人员在接入电路板后，将其浸入含有不同生物和化学物质的液体溶液中，测试其对分子变化的响应能力。
“我们实现了32个传感器的集成，并能在无电干扰的情况下分别读取每个传感器的数据，”Kammarchedu表示。“通过堆叠多块电路板，我们还可以进一步扩展传感器数量，同时保持每个单元的小型化设计。”
测试结果显示，该传感器的灵敏度达到传统单栅场效应晶体管的20倍，信号漂移则减少了15倍。Ebrahimi表示，这种传感器能够有效检测多种化学与生物分子，例如多巴胺和血清素等神经递质，以及炎症相关因子IL-6和水体中的PFAS等污染物。
推动高精度诊断的未来方向
研究团队正致力于进一步优化传感器架构，以适配商业化应用。当前的重点是提升对帕金森病相关挥发性有机化合物的识别能力，以支持早期诊断。
“作为材料科学领域的领先机构，宾夕法尼亚州立大学在探索二维材料方面具备独特优势，”Ebrahimi表示。“我们期待评估该系统在不同材料上的性能，并探索是否可以用其他二维材料替代石墨烯，以进一步提升其传感能力。”
这项研究提出的紧凑型传感架构不仅具备高稳定性与高灵敏度，还具备良好的可扩展性与集成能力，为未来便携式诊断设备的发展奠定了基础。
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