基于石墨烯场效应晶体管 (GFET) 的生物传感器因其出色的稳定性和更高的电子迁移率而备受关注。本文讨论了基于 GFET 的生物传感器的设计、应用和局限性。

场效应晶体管 (FET) 是一种具有三个端子的载流子器件：源极、漏极和栅极。在 FET 中，可以在栅极端子处施加电场，从而改变漏极和源极之间通道的导电性。

石墨烯于 2004 年被发现。它是一种具有六圆蜂窝晶格框架的二维 (2D) 碳材料。它的独特特性包括出色的电导性和热导性、高电子迁移率、大表面积、生物相容性和电化学惰性，使其成为理想的生物传感器纳米片。

基于 FET 的生物传感器的工作原理是将生物敏感探针连接到目标分析物上，从而释放带电离子，使传感器能够检测生物材料。这会改变通道材料内的载流子，影响源漏电流等电气特性，这些特性会转换为电脉冲以供检测。

在 GFET 中，石墨烯充当 FET 结构中的通道。根据栅极制造方案，GFET 可以是顶栅或背栅。目标分析物固定在石墨烯表面，从而改变其电导率，然后在输出端进行测量。

石墨烯的高导电性使其响应时间非常短，有助于快速检测目标分析物。

FET 传感器有三个主要结构组件：源极、漏极和底部或顶部栅极。可以在石墨烯通道表面修改生物识别元件，以检测生物物质。

开发高质量的石墨烯至关重要。常见的制备工艺包括氧化还原、化学气相沉积 (CVD) 和机械剥离。

制造 GFET 生物传感器主要有两种方法：将生物受体附着到石墨烯表面或将生物受体放置在栅极介电层制造的腔内。

在第一种方法中，生物受体附着在石墨烯表面，通过相互作用力检测目标。电荷转移在特定结合后改变电导率，将代谢变化转化为可检测的电信号。

由于石墨烯的电惰性，可通过固定纳米粒子预处理、静电吸附、π-π相互作用等表面改性来提高灵敏度。

在第二种方法中，具有特定介电常数的生物分子被包含在制造的腔体中，从而改变介电栅极电容并导致阈值电压偏移。该电流变化表明目标部分的存在。

当前的研究重点是开发具有快速检测时间、高灵敏度和最小样品量要求的生物传感器。3 GFET生物传感器因其选择性、灵敏度、快速分析、低成本、紧凑性和集成性而在医疗应用中广受欢迎。

COVID-19 的两种主要诊断技术是病毒核酸检测和血清学；然而，这两种方法都无法满足诊断检测的速度和准确性要求。

Seo等人报道了使用石墨烯片作为传感区域，结合针对严重急性呼吸道综合征相关冠状病毒 (SARS-CoV-2) 的刺突抗体，使用 FET 生物传感器检测临床标本中的病毒。该方法成功识别了临床运输介质中的 100 fg/mL SARS-CoV-2 刺突蛋白。

核糖核酸 (RNA)、脱氧核糖核酸 (DNA) 和微小 RNA (miRNA) 是核酸的典型代表，它们对人体生理学非常重要，因此对多种疾病也很重要。先前的研究表明，miRNA 与多种疾病（包括癌症）之间存在很强的相关性。

Let7g 是一种被认为参与肿瘤抑制的 miRNA。2014 年，徐等人成功开发出一种针对 let7g 的选择性 G- FET。

根据目前的研究趋势，FET传感器也可能应用于人体仿生传感系统。

Ahn等人发明了基于 GFET 的双生物电子舌 (DBT)，可以同时检测鲜味和甜味。10这项创新为复制复杂的人类仿生系统开辟了新途径，并凸显了基于 GFET 的生物传感器的潜力。

LOC 技术促进了手持式、紧凑型医疗诊断测试系统的设计。在 LOC 中将微流体设备与 GFET 生物传感器相结合是一种很有前景的方法。

Hajian等人通过用 CRISPR-Cas9 复合物修饰石墨烯表面，开发出了一种 CRISPR-Chip。该装置有望通过快速、高效且有选择性地识别 CRISPR-Cas9 基因的目标序列来推动数字基因组学的发展。

GFET 生物传感器的制造面临多项挑战。尽管灵敏度高，但它们也会对蛋白质和离子等非目标物产生反应，使临床数据分析变得复杂。

牛血清白蛋白 (BSA)、聚乙二醇 (PEG) 和表面活性剂等试剂通常用于阻断石墨烯表面，减少疏水相互作用并防止非特异性结合。

此外，生产过程中使用的材料（如聚甲基丙烯酸甲酯）的残留物也带来了进一步的限制。尽管有各种清洁技术，包括在氢气气氛中退火，但没有一种方法可以完全去除这些污染物。

过去十年，科研人员投入了大量精力开发基于 GFET 的生物传感器。原型概念验证设备对于推进 GFET 开发至关重要，需要对分析物进行原位测试，而不是缓冲溶液。

虽然基于短链核苷酸的生物传感器正在被开发，但未来的努力应该集中在长链核苷酸或整个基因的临床应用上。

需要进一步研究 GFET 传感器中的纳米生物界面。全面分析稳定性和实时检测对于 GFET 生物传感器的商业化至关重要，以确保长期稳定性和临床使用的高性能。