近年來，生物傳感器的發(fā)展已成為一個重要的研究重點，具有改革醫(yī)療和診斷的潛力。簡單來說，生物傳感器是通過生成與反應(yīng)中分析物濃度成正比的信號來測量生物反應(yīng)的設(shè)備。隨著對高精度設(shè)備需求的增加，生物傳感器在臨床檢測(Point-of-Care，PoC)中找到了廣泛的應(yīng)用。PoC 檢測是在靠近患者的地方進行的臨床實驗室測試，旨在減少周轉(zhuǎn)時間并確保及時的臨床決策。技術(shù)進步，包括電子設(shè)備的小型化和改進的儀器，促進了越來越小且更加準確的 PoC 設(shè)備的發(fā)展。

PoC 檢測正在從單一分析物檢測轉(zhuǎn)向多重分析物檢測，后者可以進行更多的測試，這增加了可靠統(tǒng)計分析的重要性。進行遠程多重分析物檢測需要在篩選樣品時對多個分析物具有高精度，同時還需要足夠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以排除單個虛假信號源。傳統(tǒng)的方法，如酶聯(lián)免疫吸附測定(ELISA)，需要單獨測量每對分析物和受體，耗時較長。本文介紹了一些先進的多重分析物診斷解決方案，并深入探討了用于生物傳感器的石墨烯場效應(yīng)晶體管(GFET)的晶圓級 CMOS 集成。

先進的多重分析物診斷解決方案

為了消除 ELISA 方法在多重分析物診斷中的缺陷，正在通過使用集成互補金屬氧化物半導體(CMOS)讀出的傳感器陣列在單個芯片上實現(xiàn)更先進的解決方案。CMOS 讀出技術(shù)的潛在好處包括低成本、高密度陣列形成、低功耗、無標記檢測、讀出集成和更小的設(shè)備尺寸，這使其成為 PoC 檢測應(yīng)用的理想選擇。

場效應(yīng)晶體管(FET)是與 CMOS 技術(shù)一起用于多重分析物檢測的基本生物傳感器。不同的基于 FET 的技術(shù)，如碳納米管場效應(yīng)晶體管(CNTFET)、離子選擇性場效應(yīng)晶體管(ISFET)、擴展門場效應(yīng)晶體管(EGFET)、薄膜體聲諧振器(FBAR)和硅納米線場效應(yīng)晶體管(SiNWFET)，與 CMOS 兼容，但存在一些局限性。

基于化學氣相沉積(CVD)石墨烯的 GFET 傳感器目前是最理想的解決方案，因為與其他傳感器相比，它們被發(fā)現(xiàn)是最經(jīng)濟和準確的。GFET 提供與 CNTFET 和 SiNWFET 相似的靈敏度和更易于制造的特性，使其成為高靈敏度無標記生物傳感器的成本效益方法。盡管 ISFET 和 EGFET 可以在 CMOS 上使用標準工藝輕松制造，但它們會受到設(shè)備穩(wěn)定性和漂移問題的影響。

GFET 的晶圓級 CMOS 集成

用于多重分析物檢測的 GFET 集成到一個 CMOS 多路復用平臺中，使數(shù)百個 GFET 的同時測量成為可能。采用 0.35 微米模擬工藝節(jié)點的 200 毫米 CMOS 集成已使用 X-Fab 提供的標準技術(shù)制造?？偣矞y試了 512 個 GFET，并且可以進一步擴展到 4096 個設(shè)備。使用全球數(shù)字控制選擇 GFET，通過觸發(fā)像素級局部 CMOS 開關(guān)來測量 GFET 的電阻讀數(shù)。GFET 值的測量通過選擇切割晶圓上的五個傳感器芯片進行。芯片被電線鍵合到芯片載體上以進行電氣測量。

使用參數(shù)分析儀與芯片上的 CMOS 多路復用器一起進行設(shè)備的測量和偏置。液體柵極電壓(Vg)通過使用片上 Pt 液體柵極進行控制。在無柵極的環(huán)境條件下測量的電阻值如下圖所示，并附有五個芯片的電阻值直方圖。對于每個芯片，報告了平均電阻值和標準偏差。

GFET 的性能和穩(wěn)定性通過在去離子水(DIW)中進行電氣測量進行評估。GFET 在 DIW 中暴露兩次，以獲取設(shè)備的電阻隨 Vg 的變化。Vg 是通過片上 Pt 電極施加到所有 GFET 上的。結(jié)果顯示出良好的穩(wěn)定性和低變化的 Dirac 峰電壓。Dirac 峰電壓是石墨烯通道的電荷中性點的度量，低變化表明 GFET 具有均勻性和一致的電氣特性，從而能夠進行一致的測量，這對生物傳感器及其應(yīng)用至關(guān)重要。類似地，GFET 還暴露于不同濃度的氯化鈉(NaCl)溶液中。這樣做是為了獲得每種 NaCl 濃度下，設(shè)備的電阻和跨導值隨柵壓的變化。

測量顯示，由于柵電容的變化，Dirac 峰電壓位置發(fā)生了位移，平均電阻值在 Dirac 峰處保持不變，盡管峰電壓值發(fā)生了變化，這表明 GFET 的主導傳感機制是靜電柵極。在 NaCl 濃度測試后，GFET 再次使用 DIW 進行測試，以確保設(shè)備恢復到在 DIW 特性測量中建立的基線。

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