石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GFET）傳感器陣列的晶圓級(jí)納米制造和功能化。一種原理圖納米制造策略，使用阻抗測(cè)量進(jìn)行器件預(yù)選（故障診斷），以小化器件變化，以實(shí)現(xiàn)近乎理想的響應(yīng)模式。測(cè)試/分析程序的每個(gè)步驟都示意性地顯示（i-v），并在插圖中附有相應(yīng)的描述。b 將氧化石墨烯（GO）分散液旋涂到整個(gè)晶圓基板上，用于沉積圖案電極。照片顯示了切割后的晶圓尺寸傳感器器件和表面有一滴測(cè)試溶液的單個(gè)器件。c 基于rGO的FET傳感器器件的納米制造步驟包括通過電子束光刻進(jìn)行電極沉積，SiO的沉積2使用電子束光刻、3 nm 原子層沉積 （ALD） 衍生的 Al 在電極上的保護(hù)層2O3作為頂部柵極氧化物，濺射金納米顆粒（NPs）作為探針的錨定位點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)探針功能化。d 傳感器1-3使用特定生化和抗體探針進(jìn)行探針功能化的示意圖步驟。自然通訊 （2023）。DOI： 10.1038/s41467-023-39701-0

全球存在水危機(jī)，這不僅僅是關(guān)于清潔水供應(yīng)的減少。受污染的飲用水使全世界數(shù)億人暴露于毒素，如細(xì)菌、重金屬、殺蟲劑和冠狀病毒。這種污染危及公眾健康，并可能導(dǎo)致嚴(yán)重疾病。

來自美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一組研究人員，以及芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院和威斯康星大學(xué)密爾沃基分校，已經(jīng)設(shè)計(jì)了一種大規(guī)模制造能夠同時(shí)檢測(cè)鉛，汞和大腸桿菌的傳感器的途徑。在流動(dòng)的自來水中。該團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新有望通過提供污染預(yù)警來幫助保護(hù)公眾健康。

“傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)用于測(cè)量水中污染物的傳感器存在可靠性問題，無(wú)法檢測(cè)到故障設(shè)備，”與芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程聯(lián)合任命的阿貢科學(xué)家Haihui Pu說�！案倪M(jìn)的傳感器可以避免健康危機(jī)。

這些傳感器的核心是一層納米厚的碳和氧原子，石墨烯的一種形式，涂覆在硅襯底上。這種石墨烯材料的作用與計(jì)算機(jī)芯片中的半導(dǎo)體類似。然后將金電極印在石墨烯表面上，然后是納米厚的氧化鋁絕緣層。每個(gè)傳感器都經(jīng)過定制，可檢測(cè)三種毒素中的一種：鉛、汞或大腸桿菌。

大規(guī)模制造這些傳感器的主要挑戰(zhàn)之一是評(píng)估其質(zhì)量。在超薄絕緣層中會(huì)形成不需要的孔隙率的微小區(qū)域。這種孔隙率允許來自底部石墨烯層的電子逃逸到頂部絕緣層中。這種泄漏會(huì)影響其作為絕緣體的有效性，并導(dǎo)致傳感器響應(yīng)不可靠。

該團(tuán)隊(duì)最近在Nature Communications上發(fā)表的文章描述了一種在大規(guī)模生產(chǎn)之前識(shí)別有缺陷設(shè)備的篩選方法。該方法涉及測(cè)量傳感器浸沒在水中時(shí)絕緣層的電響應(yīng)。關(guān)鍵是屏蔽不會(huì)損壞傳感器。通過采用這種技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)確定了絕緣層中的結(jié)構(gòu)缺陷。然后，他們能夠建立標(biāo)準(zhǔn)來輕松檢測(cè)故障設(shè)備。

為了證明他們方法的有效性，研究小組評(píng)估了一個(gè)三傳感器陣列，能夠同時(shí)檢測(cè)流動(dòng)自來水中的鉛，汞和大腸桿菌。使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來分析結(jié)果，他們能夠?qū)⒍舅厮�平量化到十億分之一，即使在存在干擾元素的情況下也是如此。

“傳感器的美妙之處在于，你可以將它們應(yīng)用于任何形式的水中，而不僅僅是自來水，”阿貢水策略師、普利茲克分子工程學(xué)院皇冠家族教授Junhong Chen說�！案�重要的是，你可以組合三個(gè)、三十個(gè)或三百個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器都經(jīng)過定制，以檢測(cè)不同的成分。

這些不僅包括重金屬和細(xì)菌，還包括藥品、殺蟲劑、冠狀病毒和水中的常見污染物、全氟和多氟烷基物質(zhì)。它們還可能包括關(guān)鍵資源，例如用于電池的鈷以及作為植物和動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的氮和磷。

一旦識(shí)別并去除有問題或有價(jià)值的元素，傳感器可用于評(píng)估處理水的清潔度。研究結(jié)果可以指導(dǎo)水的安全再利用，包括飲用水使用、農(nóng)業(yè)和灌溉、地下水補(bǔ)充和工業(yè)過程。

Chen表示希望通過他創(chuàng)立的一家初創(chuàng)公司將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化�！暗�水污染構(gòu)成了一個(gè)全球健康問題，需要共同努力，”他說。

該團(tuán)隊(duì)的篩選方法為監(jiān)測(cè)水質(zhì)和優(yōu)化其安全再利用提供了一種多功能工具。隨著科學(xué)家解決這一關(guān)鍵問題，他們的努力成為更健康、更可持續(xù)的未來的希望燈塔。