+关注

手机看

微信扫一扫，随时随地看

Device主编精选：芯片集成纳米波纹石墨烯开启多模态生物传感新纪元 | Cell Press对话科学家

CellPress细胞科学

2025-03-21 17:00发布于北京CellPress细胞科学官方账号

+关注

物质科学

Physical science

作为Cell，Chem，Joule和Matter的姊妹刊，Device发表的内容主要涵盖物理、生物、化学、材料、信息科学和工程学等领域中具有突破性和多学科交叉性的应用技术研究成果。Device的目标是促进科研领域的创新整合与交叉融通，激发科研群体的创新性，从而研发出具有现实意义且能够提高人们生活质量的新设备和新器件。我们诚挚期待您的来稿！

每一期Device中，编辑团队都会精心挑选一篇文章作为主编推荐进行深入解读，为读者朋友们持续带来应用技术领域最前沿的突破性跨学科研究成果。本期主编精选Editor's pick: Volume 3, Issue 2介绍了一项颠覆性传感技术：基于纳米波纹石墨烯（Nano-Corrugated Graphene, NCGr）的多模态生物传感器，首次在单一器件中集成场效应晶体管（FET）、电化学传感与表面增强拉曼光谱（SERS）光学检测三大模式，实现了痕量生物分子检测灵敏度的数量级突破。该技术有望为精准医疗、环境监测和即时诊断（POCT）设备开发提供全新范式。

芯片集成纳米波纹石墨烯开启多模态生物传感新纪元

石墨烯生物传感器虽已历经数十年发展，但其灵敏度和特异性仍存在提升空间。早期器件性能尚未臻于完美，可靠性不足成为制约石墨烯传感器的关键瓶颈。基于此，来自美国伊利诺伊大学的Rashid Bashir教授团队联合来自韩国嘉泉大学的Michael Hwang教授团队研发了一种多模态高灵敏传感平台，该平台通过表面修饰适配多种分析技术、在SiO₂基底上构建单层石墨烯纳米结构来显著提升灵敏度。此外，该平台制备工艺简单，降低了对复杂仪器和人工操作的依赖。与此同时，场效应晶体管（FET）传感、电化学传感及基于表面增强拉曼光谱光学传感三种不同的检测模式成功验证了器件性能的全面提升，其DNA检测灵敏度最高达~1 aM。硅基底优异的可调性与稳定性使其能与现有半导体工艺无缝衔接，因此本器件兼具可重复性、商业级灵敏度与可靠性，具有广阔的应用前景。

研究背景

与传统二维平面石墨烯不同，纳米波纹石墨烯（NCGr）支持多种非活性检测模式，并可在同一传感平台上实现多模态生物分子检测。尽管该领域潜力巨大，但现有NCGr传感芯片仍依赖于聚合物基底开发，难与传统的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容。有鉴于此，研究人员首创氧化硅（SiO₂）芯片为基底，通过特定类型的反应离子刻蚀（RIE）加工，简便快捷地实现纳米波纹表面构建，有望实现同步测量，全面提升传感能力。

主编点评

Marshall Brennan

Device主编

mbrennan@cell.com

Bashir及其团队在本文中开发了一种新型多模态生物传感材料平台——纳米波纹石墨烯（NCGr）。与平面石墨烯不同，NCGr可实现场效应晶体管（FET）传感、电化学（EC）传感以及基于表面增强拉曼光谱（SERS）的光学传感三种检测模式。其中，纳米级波纹结构基于表面等离子体共振增强机制，成功将DNA检测极限下探至 1 aM水平。

这种片上制造工艺简化制程复杂度，且与 CMOS工艺高度兼容，首次实现了生物传感器与标准半导体产线的无缝对接。文中所构建的生物传感器在医学诊断、环境监测和生物工程等领域具有广阔的应用潜力——这一技术特性与Device团队倡导的“可扩展性生物电子融合系统”研发路线高度契合，预期将推动跨尺度生物传感架构的迭代创新。

来自作者的话

Rashid Bashir

伊利诺伊大学

Michael Taeyoung Hwang

嘉泉大学

CellPress：

请问两位教授，您认为这项研究最令人兴奋的突破是什么？

作者团队：

传统观点认为二维材料必须尽可能平坦（且纤薄）才能充分展现其独特的二维特性。然而，我们研究的结果证实，“褶皱”石墨烯不仅具有独特的电学特性，还能实现对生物分子的超灵敏检测。本次发表在Device的研究进一步证明，通过构建三维结构化的二维材料——纳米波纹石墨烯（NCGr），可在四种不同传感模式下实现检测性能的全面提升。

CellPress：

您们认为这项研究未来在哪些方向会有持续的突破？

作者团队：

新冠疫情使基于抗体/抗原检测的生物传感器得到广泛应用，如今这类检测试剂盒在药房随处可见。但我们也很快意识到其局限性：灵敏度不足、可靠性存疑以及功能单一（如检测病毒RNA和蛋白质需使用不同传感平台）。由于生物标志物在电荷、官能团和尺寸等方面差异显著，发展能兼容这些特性的超灵敏多模态传感方法，是突破现有生物传感器技术瓶颈的关键。

CellPress：

最后，请与我们分享选择Device作为研究成果发布平台的原因

作者团队：

我们团队的研究兴趣覆盖科学与工程领域，本文的研究内容融合了生物学、化学、物理学和量子科学等跨学科知识，致力于推动多维检测平台的发展。这与Device这类以技术为导向的期刊定位高度契合——既重视突破性科学原理的阐释，也强调工程应用的创新，着实是展示我们研究成果的最佳平台。

从创新到应用

作为Cell，Chem，Joule和Matter的姊妹刊，Device发表的内容主要涵盖物理、生物、化学、材料、信息科学和工程学等领域中具有突破性和多学科交叉性的应用技术研究成果。