具有超高开关比的石墨烯纳米筛在柔性生物传感器中的应用

石墨烯是作为柔性电子器件和柔性生物传感器的理想材料,然而其零带宽的特征限制了基于石墨烯的场效应晶体管的开关比以及生物传感器的灵敏度。将石墨烯纳米筛制备成特定的结构可以引入一定的带宽并且提高石墨烯的开关比。至今,一些方法如光刻,化学,表面修饰,以及将碳纳米管打开已经被用来制备具有一定带宽的石墨烯纳米结构。然而这些方法需要复杂和精确的技术来控制样品的制备条件,这样就极大的提高了制备成本并降低了产率。除此之外,石墨烯本身低的比表面积限制了受体分子和配体分子的相互作用,导致了基于石墨烯的生物传感器具有较低的传感性能。
石墨烯纳米筛是由一种均一排列的纳米孔石墨烯形成的二维连续结构,由于量子局限效应和边缘效应,这种石墨烯纳米结构打开了石墨烯的带宽。然而由于光刻分辨率的限制,目前所制备的石墨烯纳米筛具有较宽的孔壁(>5 nm)和低的开关比(~100)。武汉大学袁荃教授,廖蕾教授与加利福尼亚大学洛杉矶分校的段镶锋教授利用介孔SiO2作为石墨烯的掩膜板制备了具有较窄孔壁(<3 nm)和高开关比(~1000)的石墨烯纳米筛。由于制备的石墨烯纳米筛具有优异的电学性能和高的比表面积,在其表面功能化具有特异性识别作用的受体分子之后,基于石墨烯纳米筛的场效应晶体管可以作为高灵敏的生物传感器来选择性的检测癌症生物标志物人类表皮生长因子受体2。除此之外,这种柔性生物传感器系统还可以实现实时检测乳腺癌细胞并达到单个细胞的检测限。

这种制备石墨烯纳米筛的方法不仅代表了一种打开石墨烯带宽的方法,还为开发一种低成本和高效的高性能柔性生物传感器提供了一种途径。

相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201604096)上。

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