基于石墨烯晶体管阵列的集成生物传感器平台，用于实时高精度离子传感
2022-09-03 12:43:11   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

智能传感器，例如汗液传感器，可以针对生物流体中各种生理相关的生物标志物进行检测，因而在健康跟踪和医学诊断方面显示出巨大的潜力。石墨烯等二维材料在用于智能传感器制备方面具有良好的的前景，但由于材料合成和器件制备技术的一致性问题，器件之间存在较大的差异。

据麦姆斯咨询报道，近日，美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）及国际商业机器公司（IBM）研究中心的研究人员联合开发了一个强大的生物电子传感平台，该平台由200多个集成传感单元、定制的高速读出电子器件和机器学习推理系统组成，从而克服了传感器间的一致性问题，实现了快速、便携和可靠的测量功能。相关研究成果以“Integrated biosensor platform based on graphene transistor arrays for real-time high-accuracy ion sensing”为题，发表于Nature Communications期刊。

离子选择膜（ISM）功能化石墨烯传感器阵列

该研究中使用的石墨烯传感芯片是在4英寸、200 μm厚的玻璃晶圆上制造而成的。每个传感单元由一个30 μm ×  30μm石墨烯通道和两个Ti（5 nm）/Au（150 nm）源/漏电极组成。由定制印刷电路板（PCB）和微控制器组成的测量系统允许以便捷的方式从大量传感器中快速获取高质量数据（图1b、c）。测量系统还包含一个外部薄型Ag/AgCl参考电极，为数据采集提供稳定的参考电位。

图1 高度集成的传感系统

轮廓匹配校准

校准对于几乎所有传感系统都是必不可少的，因为传感器会因磨损、老化和环境影响而退化。同样地，电解质门控石墨烯场效应晶体管（EGFET）由于石墨烯在环境空气中的性质变化，会不可避免的发生漂移超时，因此也需要重新校准。通常用于校准EGFET的方法，需要在跨越整个意向研究浓度范围的多重稀释下对器件进行完整的I-V特性表征。然而，轮廓匹配方法只需要使用一种已知浓度的校准溶液对器件I-V特性进行一次测量。由于离子传感器的灵敏度漂移在六个月内可忽略不计，传感器可以通过轮廓匹配方法轻松校准，以在多个测试情景中实现相同的传感精度。

图2 离子选择膜（ISM）功能化石墨烯传感芯片和轮廓匹配校准

用于多路复用传感的高度集成阵列

为了进一步推动传感系统的功能，研究人员开发了一个集成传感芯片，该芯片集成了K⁺、Na⁺和Ca²⁺ ISM（图3a）。接着，研究人员使用集成传感芯片进行了两组测量。第一组被称为“纯溶液”，包含15种电解质溶液，其中只有一种类型的分析物离子，其浓度跨越几个数量级。第二组被称为“混合溶液”，包含在去离子水中具有多种类型分析物离子的电解质溶液。研究人员使用来自测量的单个器件的狄拉克点（以纯溶液作为特征）执行主成分分析（PCA），以在较低维空间下可视化多变量数据，同时保留最大方差。前两个主成分（PC）占数据总方差的92.1%。PC1和PC2的得分绘制在图3d中。结果显示，K⁺、Na⁺和Ca²⁺离子簇分离良好，表明传感器能够区分不同类型电解质中的离子。通过使用单个传感器的离子灵敏度作为特征集，可以实现进一步的分离。

图3 具有K⁺、Na⁺和Ca²⁺ ISM的高度集成传感芯片

算法增强的传感精度

最后，基于随机森林算法，研究人员用纯溶液测试的数据训练了一个分类器，在对离子类型的存在进行分类时达到97.6%的准确率，如图4a所示。另外，尽管确定纯溶液中的离子类型和浓度很重要，但实际应用需要在多离子溶液中具有高性能。因此，研究人员使用多离子溶液进行了第二组实验，其中K⁺、Na⁺和Ca²⁺三种离子同时存在。训练多类随机森林分类器以预测K⁺、Na⁺和Ca²⁺的浓度，每个离子的准确度分别为90.6%、82.6%和61.7%（图4c-e）。这些结果显示了多路复用传感芯片在复杂的现实环境中表现良好的潜力。

图4 使用来自高度集成传感芯片的数据的随机森林模型

综上所述，研究人员开发了一种基于石墨烯的高度集成传感平台，该平台解决并克服了当前二维材料技术的局限性，实现了高性能和增强的功能。其可扩展的制造工艺为未来的传感器提供了一种有前景的实现卓越性能和低成本的方法。该便携式传感平台使用200多个石墨烯传感器来实现对简单电解质、人工尿液和人工外分泌汗液中K⁺、Na⁺和Ca²⁺的准确检测。所提出的传感平台结合了统计学上显著的样本量和校准方法，以克服传感器间的差异，并展示了出色的灵敏度和可逆性。随机森林算法显示出了准确的离子类型分类、浓度预测以及在电解质失衡相关疾病诊断中的潜在应用，并在传感器性能增强方面证明了将大型数据集与统计数据和机器学习相结合的重要性和有效性。另外，该传感平台可以很容易地用于其他感兴趣的分析物以及其他先进的二维材料，以实现生物医学应用的准确可靠的多路传感。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32749-4

延伸阅读：

《传感器技术和市场趋势-2020版》

《分子诊断技术与市场趋势-2020版》

《石墨烯市场和二维材料评估-2022版》