核酸適體功能化的二維材料場效應(yīng)晶體管傳感器研究進(jìn)展

解 忱，陳 娜，楊雁冰，袁 荃

（武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院,武漢430072）

納米傳感器是由納米材料與生物識別元件結(jié)合構(gòu)成的傳感器，其與目標(biāo)分子結(jié)合之后會引起傳感器電信號或光信號的顯著變化［1］.場效應(yīng)晶體管（FET）傳感器作為一種納米傳感器，主要由半導(dǎo)體溝道材料、源極、漏極、柵極和生物識別元件構(gòu)成.在傳感過程中，半導(dǎo)體納米材料的溝道或柵電極與待測分析物接觸后，表面的載流子密度會發(fā)生變化，進(jìn)而引起電導(dǎo)的變化.FET傳感器具有以下優(yōu)點：（1）高的靈敏度.一個FET傳感器相當(dāng)于一個傳感器和放大器，這種自身放大的功能使得其在一個局部的電壓變化下就會產(chǎn)生一個巨大的溝道電流變化.這種高靈敏的優(yōu)點為檢測微量的生物標(biāo)志物分子帶來了機(jī)會.（2）易于小型化和集成.FET傳感器可以在不影響器件性能的情況下實現(xiàn)小型化，這種小型化使得FET傳感器非常適合與其它功能元件組裝和集成，實現(xiàn)疾病的數(shù)字化診斷.（3）良好的生物相容性.因此，發(fā)展高性能的FET傳感器在疾病早期診斷和實時監(jiān)控方面具有重要意義［2］.

FET傳感器的傳感性能取決于半導(dǎo)體溝道材料和生物識別元件.常用的半導(dǎo)體納米材料包括零維的金屬納米顆粒、一維的碳納米管和硅納米線、二維納米材料如石墨烯、二硫化鉬和黑磷（BP）等.其中，原子薄層的二維納米材料具有高的比表面積、優(yōu)異的電學(xué)和機(jī)械性能、高的載流子遷移率及可調(diào)的帶隙等優(yōu)勢，能夠提供大量的表面活性位點用于功能化識別分子，從而實現(xiàn)對特定分析物的高靈敏、選擇性響應(yīng)，在高性能FET生物傳感器中具有廣泛的應(yīng)用［3］.此外，還可以通過摻雜各種納米材料或者分子來構(gòu)建二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)的器件，提高傳感器的傳感性能［4］.

核酸適體（Aptamer）是通過體外篩選技術(shù)得到的單鏈DNA或RNA［5］，能夠通過靜電、氫鍵、結(jié)構(gòu)匹配等相互作用與金屬離子［6］、蛋白［7］、病毒［8］和小分子［9］等特異性結(jié)合.核酸適體的尺寸僅為3~5 nm，能夠顯著縮小目標(biāo)分子與溝道材料之間的距離，有效克服德拜屏蔽現(xiàn)象，提高傳感性能［10］.核酸適體已被作為生物識別元件用于構(gòu)建核酸適體功能化的FET傳感器，并用于疾病的快速診斷和環(huán)境監(jiān)測等研究［11］.

本文綜合評述了核酸適體功能化的二維材料FET傳感器的最新研究進(jìn)展.首先，本文簡單介紹了FET傳感器的結(jié)構(gòu)，對傳感機(jī)制進(jìn)行了概括；然后，對二維材料如石墨烯和二硫化鉬等材料的結(jié)構(gòu)、特性及制備方法進(jìn)行了總結(jié)；此外，概述了核酸適體功能化的二維材料FET傳感器在醫(yī)療診斷和環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中的研究進(jìn)展；最后，討論了核酸適體功能化的二維材料FET傳感器目前面臨的挑戰(zhàn)，對傳感器未來的發(fā)展機(jī)遇進(jìn)行了展望.

1 二維材料FET傳感器

場效應(yīng)晶體管傳感器由FET和生物識別元件兩部分構(gòu)成.FET主要由源極（S）、漏極（D）、柵極（G）及溝道材料組成.當(dāng)源極和漏極之間施加恒定電壓（VDS）時，溝道電導(dǎo)率隨柵極和源極之間電壓（VGS）的改變而變化，從而改變源極和漏極之間的電流（IDS）［12］.FET傳感器通過檢測目標(biāo)分子結(jié)合前后溝道材料電導(dǎo)率的變化來工作，繼而實現(xiàn)生物、化學(xué)信號與電信號之間的轉(zhuǎn)換.生物識別元件是指具有特異性識別作用的生物分子，這類分子在結(jié)合帶電荷的目標(biāo)分子后，會引起柵極電壓的變化，從而改變溝道電流的大小，達(dá)到檢測生物分子的目的.

二維材料FET的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的金屬氧化物半導(dǎo)體FET結(jié)構(gòu)類似，常見的有以下幾種（圖1）［13］：

Fig.1 Back?gated FET(A),top?gated FET(B),dual?gate FET(C)and liquid?gated FET structure(D)[13]

Fig.2 Typical configuration of a solution?gated graphene transistor[17]

（1）背柵二維材料FET［14］.在背柵二維材料FET中，柵介質(zhì)層和柵極位于二維材料下方.背柵二維材料FET是當(dāng)前最為成熟并且研究最多的器件結(jié)構(gòu)，能夠直接用于評估二維材料的電學(xué)性能.

（2）頂柵二維材料FET［15］.與背柵二維材料FET的主要區(qū)別在于，柵介質(zhì)層和柵極處于二維材料的上方.柵介質(zhì)層可以作為保護(hù)層來避免二維材料與外界環(huán)境之間的接觸，從而提高FET的載流子遷移率.

（3）雙柵二維材料FET.雙柵二維材料FET往往具有一個背柵和一個頂柵，可以通過分別調(diào)控兩個柵極來調(diào)控FET的性能.

（4）溶液柵二維材料FET.在這一類FET中，溶液作為柵極，并在溶液/溝道材料的界面處形成雙電層.

生物分子通常存在于液體環(huán)境中，因此在生物分子檢測中，以溶液作為柵極的二維材料FET傳感器是最常用的FET傳感器［16，17］，其典型的結(jié)構(gòu)示于圖2［17］.

溶液柵二維材料FET傳感器用于生物分子檢測的性能受到以下幾種因素的影響：

（1）二維材料載流子遷移率或摻雜程度的變化.目標(biāo)生物分子與二維材料之間的相互作用會顯著改變二維材料的載流子遷移率和費(fèi)米能級，從而引起二維材料FET性能的變化.

（2）界面電阻的變化.FET中金屬與半導(dǎo)體之間的界面電阻是影響FET性能的重要因素之一.由于金屬電極和半導(dǎo)體材料之間的能級不匹配，在界面處半導(dǎo)體的能帶彎曲，形成肖特基勢壘，導(dǎo)致了較大的界面電阻，從而限制了器件性能.

（3）電解質(zhì)變化.在流體或離子擴(kuò)散等情況下，柵極和二維材料之間的電解質(zhì)電位會發(fā)生改變，從而影響二維材料FET傳感器的性能［18］.

（4）柵極電容變化.離子濃度、雜質(zhì)以及柵極的電荷分布都會影響傳感器的電容，從而影響FET的性能［19］.

2 二維材料的制備及性質(zhì)

二維材料作為FET傳感器的溝道材料具有比表面積高、能夠與金屬電極緊密接觸、電學(xué)性能優(yōu)越、帶隙可調(diào)、易于功能化及機(jī)械性能優(yōu)異等優(yōu)勢［20］.因此，二維材料已經(jīng)被廣泛用于FET傳感器研究中.常被用作FET溝道材料的二維材料主要有石墨烯、過渡金屬硫化物（TMDs）、二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物（MXenes）和黑磷等.

2.1 石墨烯的制備

石墨烯是由sp2雜化的碳原子緊密堆積形成的具有二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的二維材料，具有電學(xué)性能優(yōu)異、比表面積高和易于表面功能化等［21］優(yōu)勢.石墨烯因其獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，是構(gòu)建傳感器的理想材料［17］.2004年，Novoselov［22］首次通過機(jī)械剝離石墨獲得石墨烯，采用機(jī)械剝離的石墨烯作為溝道材料得到的FET具有非常高的載流子遷移率.機(jī)械剝離石墨烯出現(xiàn)后，各種制備石墨烯的方法相繼出現(xiàn).目前，石墨烯的制備方法主要包括機(jī)械剝離法［22］、化學(xué)氣體相沉積法（CVD）［23］、氧化還原法［24］及外延生長法［25］等.

機(jī)械剝離石墨烯的原理是通過機(jī)械力將石墨中以范德華力堆積的石墨烯進(jìn)行層層剝離.常用的機(jī)械剝離介質(zhì)是膠帶，在剝離石墨烯之后，借助于膠帶將石墨烯轉(zhuǎn)移到硅片等襯底上，從而得到單層或少層石墨烯［圖3（A，B）］［26，27］.Huang等［28］將通過機(jī)械剝離方法得到的石墨烯用作背柵和頂柵FET的溝道材料，其分別具有高達(dá)4000和12000 cm2/（V·s）的載流子遷移率.雖然通過機(jī)械剝離方法制得的石墨烯具有優(yōu)異的物理和電學(xué)性質(zhì)，但這種方法制得的石墨烯面積小，難以大規(guī)模制備，限制了其在大規(guī)模器件中的應(yīng)用.因此通過該方法制得的石墨烯通常被用于研究石墨烯和器件的本征特性.

與機(jī)械剝離法相比，CVD法制得的石墨烯尺寸更大，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn).CVD法主要是在高溫下，將含碳物質(zhì)如甲烷、乙烯和乙醇等作為碳源前驅(qū)體通入到可以催化氣體分解的襯底（如銅和鎳）上，碳源前驅(qū)體在高溫下分解，產(chǎn)生的碳原子沉積在襯底上形成石墨烯［圖3（C）］［29］，將襯底刻蝕掉即得到石墨烯.Gao等［30］通過低壓CVD法合成了石墨烯.他們以甲烷為碳源，銅箔作為生長基底，在氫氣氛圍下生長得到石墨烯.CVD法不僅可以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯，還可以通過調(diào)控生長條件，得到大面積且性能優(yōu)良的石墨烯.在此基礎(chǔ)上，通過微加工技術(shù)可以設(shè)計出具有一定形狀和尺寸的FET陣列，為小型化多功能傳感陣列和芯片的制備提供了方法.此外，通過CVD法能夠?qū)㈦s原子（如氮和硼）等引入碳晶格中進(jìn)行置換摻雜，從而調(diào)節(jié)石墨烯的電子能帶結(jié)構(gòu)［31］.但CVD法生長石墨烯的條件比較苛刻，能耗較高［32］.

外延生長法是在高真空或者氬氣氛圍下，將SiC加熱至1300℃左右外延生長石墨烯［33］.由于Si的蒸汽壓比C的蒸氣壓高，故Si在加熱過程中從表面升華，留下富碳層，富碳層石墨化形成石墨烯［34，35］［圖3（D）］.SiC外延生長法的主要缺點是SiC晶片的成本高，生長溫度往往高于1000℃.此外，由于很難精確控制SiC外延生長的石墨烯的特性，限制了該方法的實際應(yīng)用.

還原氧化石墨烯法是指將Hummers法制備得到的氧化石墨烯（GO）進(jìn)行還原得到還原氧化石墨烯（rGO）［36］［圖3（E）］.由于在氧化制備GO過程中會產(chǎn)生缺陷，這些缺陷會散射載流子，從而降低載流子遷移率并增加器件的整體噪聲.為了避免這一影響，通常通過還原法合成具有π共軛結(jié)構(gòu)和更高電導(dǎo)率的rGO.還原GO的方法有化學(xué)還原［37］、激光燒蝕還原［38］和熱還原［39］等方法.其中化學(xué)還原法可以使用水合肼、乙二胺、抗壞血酸和檸檬酸鈉等多種試劑進(jìn)行還原［40］.熱還原法可以在較寬的溫度范圍內(nèi)對GO進(jìn)行還原，但通過熱還原法得到的rGO電學(xué)性能差異較大［41］.激光燒蝕法得到的rGO尺寸較小且缺陷較多［38］.

Fig.3 Mechanical exfoliation(A)[26],monolayer and bilayer graphene prepared by mechanical exfolia?tion(B)[27],CVD(C)[29],epitaxial growth on silicon carbide substrate(D)[35]and chemical reduction of graphene oxide(E)[36]

2.2 過渡金屬硫化物的制備

雖然石墨烯具有較高的載流子遷移率，但其帶隙為零，阻礙了石墨烯傳感器的響應(yīng)速率和傳感性能［42］.與石墨烯相比，過渡金屬硫化物具有較高的載流子遷移率和可調(diào)的帶隙，最具代表性的是二硫化鉬（MoS2）（圖4）［43］.MoS2具有超過200 cm2/（V·s）的載流子遷移 率［44］和 高 達(dá)1×108的 室 溫 電 流 開/關(guān)比［43］，可以用來構(gòu)建帶間隧道的FET，其功耗比傳統(tǒng)的FET低.Radisavljevic等［44］以MoS2作為溝道材料構(gòu)建的FET在待機(jī)模式下的電流降低了6個數(shù)量級，有效降低了功耗.MoS2的制備方法主要包括機(jī)械剝 離 法［45］、CVD法［46］及 物 理 氣 相 沉 積（PVD）法［47］等.

Fig.4 Atomic structure model of monolayer MoS2[43]

與機(jī)械剝離制備石墨烯相似，機(jī)械剝離法制備MoS2也是采用膠帶從MoS2塊狀晶體上剝離出3~5 nm厚的MoS2片層，轉(zhuǎn)移到硅襯底上使用（圖5）［45］.通過機(jī)械剝離法制得的MoS2具有優(yōu)異的電學(xué)性能，但該方法產(chǎn)率低、重復(fù)性差.

Fig.5 Schematic representation of the MoS2 FET fabrication process with or without seeding layer pre?deposition before the deposition of HfO2[45]

CVD法是在高溫下使氣態(tài)硫蒸氣與固態(tài)鉬源反應(yīng)后沉積到襯底材料上形成MoS2.Lee等［46］首次使用MoO3和硫粉作為前驅(qū)體，通過CVD法在硅襯底上生長了大面積MoS2.Zhan等［48］將沉積在硅襯底上的MoS2薄膜放置在具有硫源的石英管中心，在氮氣氛圍下蒸發(fā)的硫與Mo膜反應(yīng)，形成MoS2（圖6）.通過CVD法生長MoS2具有易于操作和可精確調(diào)控等優(yōu)點.但由于難以控制Mo源和S源的蒸發(fā)速度，因此CVD法在大面積合成雙層或多層MoS2方面仍存在困難［49］.另外，CVD法生長的MoS2中晶格畸變比機(jī)械剝離制得的MoS2中強(qiáng)得多，尤其是在成核處，影響了MoS2的電學(xué)和機(jī)械性能.CVD法生長MoS2過程還需要高達(dá)1100℃的溫度，大多數(shù)襯底材料都難以承受這樣的高溫，因此生長MoS2的襯底材料有限.并且生長得到的MoS2需要從襯底上轉(zhuǎn)移下來使用，轉(zhuǎn)移過程會極大地影響MoS2的電學(xué)性能［15］.

與CVD法相似，PVD法也是一種自下而上的合成方法.Samassekou等［47］通過磁控濺射法在BN緩沖的硅襯底上制備了大面積的MoS2超薄膜.他們首先使BN沉積在硅襯底上，然后再使用高能粒子蒸發(fā)MoS2前驅(qū)體，通過磁控濺射法將氣態(tài)Mo源和S源沉積到BN緩沖的硅襯底上.與CVD法相比，PVD法的工作溫度較低，沉積速率高.而且通過PVD法生長的少層MoS2的無序度低于多層膜，具有更優(yōu)異的導(dǎo)電性.但PVD法生長的MoS2尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CVD法生長得到的尺寸，晶界處的缺陷密度也大得多.

Fig.6 Schematic illustration of the growth of MoS2 on the Si/SiO2 substrate by CVD method(A)and the resulting MoS2(the atoms in black and yellow represent Mo and S)(B)[48]

2.3 二維過渡金屬碳氮化物(MXenes)的制備

MXenes是指二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物，通式為Mn+1Xn或Mn+1XnTx（n=1~3），其中M是前過渡金屬，如Sc，Ti，Zr，V，Nb，Mo和Cr；X是C或N；T表示表面功能基團(tuán)，如F?，OH?或O2?.MXenes通常是通過從Mn+1AXn相的層狀三元材料中去除A元素制得，其中A元素為ⅢA或ⅣA族元素.MXenes是一種新型二維材料，具有優(yōu)異的機(jī)械、電學(xué)、化學(xué)和物理性能［9］，易于表面功能化，是構(gòu)建FET傳感器的理想材料［50］.

目前，MXenes的合成方法主要是采用液相剝離法和機(jī)械剝離法對MAX塊狀晶體進(jìn)行剝離.在液相剝離法中，MAX塊狀晶體在化學(xué)作用下于液相環(huán)境中形成多層堆疊的形式，再通過機(jī)械攪拌產(chǎn)生穩(wěn)定的二維層狀結(jié)構(gòu)（圖7）［51］.目前氫氟酸（HF）被廣泛用作刻蝕劑來去除MXA相中的A層，從而顯著削弱二維材料片層之間的相互作用力.HF液相剝離的實驗步驟相對復(fù)雜，產(chǎn)率低且成本高.此外，HF腐蝕性非常高，不可避免地會在材料內(nèi)部引入缺陷.為了避免HF刻蝕引起的缺陷問題，一些課題組使用不含HF的刻蝕劑如NH4HF2［52］，熔融鹽LiF、NaF和KF［53］，NaOH［54］等去除A層.Ghidiu等［55］研發(fā)了一種基于LiF和HCl反應(yīng)生成HF的溫和刻蝕策略，通過該方法制備的Ti3C2Tx電學(xué)性能得到了明顯改善.

Fig.7 Procedure of etching,delaminating/intercalating and exfoliating MXene nano?flakes from MAX phase[51]

與剝離法相比，CVD法更有助于控制橫向尺寸、缺陷密度和表面特性.Xu等［56］采用CVD法合成了高質(zhì)量的二維超薄α-Mo2C材料.在高溫下，將碳源通到Cu/Mo箔襯底上.碳源分解后與鉬原子反應(yīng)形成Mo2C晶體.該方法合成的Mo2C晶體厚度僅為幾納米，而且尺寸大、缺陷少，顯示出了磁場定向的強(qiáng)各向異性.但CVD方法反應(yīng)條件一般超過1000℃，能耗較高.

2.4 黑磷的制備

BP作為一種新興的半導(dǎo)體材料，具有層狀結(jié)構(gòu)、高載流子遷移率和可調(diào)帶隙等特點［57］.BP層內(nèi)通過sp3雜化形成褶皺結(jié)構(gòu)層.該褶皺結(jié)構(gòu)有利于保持相鄰單層磷烯之間的取向順序和面內(nèi)的各向異性，顯著提高了BP的穩(wěn)定性［58，59］.BP具有高達(dá)105的高電流開關(guān)比、1000 cm2/（V·s）的載流子遷移率和0.3~2.0 eV的可調(diào)帶隙（圖8）［60，61］.與零帶隙的石墨烯相比，BP可以通過摻雜修飾、范德華異質(zhì)結(jié)和調(diào)整厚度等方式來調(diào)節(jié)帶隙［57］.此外，BP還具有優(yōu)異的生物相容性和表面活性，是構(gòu)建FET傳感器的理想材料［62］.

Fig.8 Crystal structure and band structure of few?layer BP[61]

與石墨烯等層狀二維材料類似，BP在層內(nèi)通過共價鍵連接，在層間以弱范德華力連接.因此通過機(jī)械剝離的方法可以很容易地獲得單層BP.Li等［63］使用透明膠帶從晶體上機(jī)械剝離出單層BP.雖然機(jī)械剝離法實驗操作簡單，但耗時費(fèi)力，并且產(chǎn)率較低.此外，Lu等［64］使用等離子體對少層BP進(jìn)行逐層減薄處理，該方法高度可控，能夠獲得厚度均一的單層或少層黑磷.雖然BP具備優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性能，但在存在水、氧氣和可見光的環(huán)境下容易被快速降解.因此單層或雙層BP對環(huán)境非常敏感，在實驗中一般使用厚度超過2 nm的BP作為溝道材料，或者使用物理隔離和化學(xué)鈍化的方式提高BP的穩(wěn)定性.

二維材料的合成方法可分為自上而下和自下而上兩種制備策略.自上而下的合成策略如機(jī)械剝離法、液相剝離法等通過打開二維層狀結(jié)構(gòu)之間的弱相互作用力，將固體材料剝離為單層或少層.自下而上的合成策略如CVD法和PVD法等通常需要較高的能量來打破前驅(qū)體中原子之間的共價鍵，重新構(gòu)建所需的二維材料.與自下而上的合成方法相比，自上而下的合成方法具有較明顯的優(yōu)勢：（1）適用的材料更廣泛.如BP、金屬氧化物和云母等二維材料的前驅(qū)體都是由片層堆疊構(gòu)成的塊狀晶體，層間作用力較弱，較容易進(jìn)行剝離.（2）成本低.自下而上的方法通常需要高溫條件，能耗較高.（3）剝離法制得的材料表面具有一些官能團(tuán)，易于表面修飾，可用于進(jìn)一步合成所需要的功能材料.但自上而下的合成策略也存在表面缺陷較多且尺寸較小等缺點，限制了其在大規(guī)模集成器件中的應(yīng)用［65］.

3 核酸適體功能化的二維材料場效應(yīng)晶體管傳感器

FET主要起到信號轉(zhuǎn)換的作用，為了獲得特異性的生物傳感器，需要將FET與具有特異性識別功能的生物識別元件進(jìn)行結(jié)合.核酸適體是一種常用的生物識別元件，具有成本低、特異性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，在傳感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.

3.1 核酸適體

核酸適體是一段具有高靈敏度、高特異性、低免疫原性的寡核苷酸序列（單鏈DNA或RNA），具有穩(wěn)定性好、易合成等優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生物傳感領(lǐng)域［66~69］.核酸適體通常是利用體外篩選技術(shù)——指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（SELEX）篩選得到.當(dāng)核酸適體與目標(biāo)分子結(jié)合時，自身的構(gòu)型會發(fā)生變化，形成獨特的三維結(jié)構(gòu)［70］.從理論上講，核酸適體可以特異性識別幾乎所有的疾病相關(guān)蛋白、代謝分子和細(xì)胞，尤其是對于那些缺乏響應(yīng)性抗體的生物標(biāo)志物［71］.核酸適體還可以與小分子化合物、病毒及金屬離子等特異性結(jié)合，靶標(biāo)分子范圍廣［72］.因此，核酸適體是用于構(gòu)建生物識別元件的理想材料［73~75］.

為了將核酸適體固定在二維材料表面，需要對二維材料表面進(jìn)行化學(xué)修飾以引入活性基團(tuán)［21］.Abidin等［76］借助3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）將核酸適體通過酰胺鍵固定在rGO表面.共價功能化會在一定程度上破壞二維材料的電學(xué)性能.非共價功能化既能保證核酸適體均勻地功能化在二維材料表面，又能夠保留二維材料的電學(xué)性能.Kumar等［77］使用1-芘丁酸N-羥基琥珀酰亞胺酯（PBASE）作為連接分子修飾在石墨烯表面，PBASE中一端的芘基團(tuán)通過π?π相互作用堆積在石墨烯表面，另一端的N-羥基琥珀酰亞胺酯與氨基化的核酸適體進(jìn)行反應(yīng)從而達(dá)到功能化的目的.

3.2 核酸適體功能化FET的優(yōu)勢

核酸適體可以特異性識別各種各樣的生物標(biāo)志物，靶標(biāo)分子范圍極廣.核酸適體與FET結(jié)合后，可以賦予FET器件生物識別功能，從而實現(xiàn)對靶標(biāo)分子的特異性檢測.核酸適體不僅具有特異性識別靶標(biāo)分子的能力，還能夠與結(jié)合的靶標(biāo)分子產(chǎn)生信號放大，從而提高傳感器的信噪比（SNR）.影響FET傳感器SNR的主要因素包括溝道材料［78］、電解液離子強(qiáng)度［79］、目標(biāo)分子含量及體系復(fù)雜性［80］等.在溝道材料和電解液離子強(qiáng)度一定的情況下，檢測體系中的目標(biāo)分子含量非常低或干擾物多都會極大地降低傳感器的SNR.核酸適體作為識別分子能夠?qū)⑵渑c靶標(biāo)之間的相互作用距離縮小到3~5 nm，有效克服高離子強(qiáng)度下德拜屏蔽現(xiàn)象導(dǎo)致的傳感器靈敏度降低問題，從而達(dá)到信號放大的作用［81］.

3.3 核酸適體功能化FET傳感器的應(yīng)用

核酸適體功能化的FET傳感器具有特異性高、靶標(biāo)范圍廣、靈敏度高和成本低等優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域.

3.3.1 醫(yī)療診斷 疾病的早期診斷對于及時治療疾病、減輕患者的生理和心理負(fù)擔(dān)具有重要意義.在發(fā)病初期，疾病標(biāo)志物的濃度比較低，發(fā)展高靈敏和特異性的傳感器來快速、準(zhǔn)確地檢測疾病標(biāo)志物對疾病的早期診斷和治療至關(guān)重要.核酸適體功能化的FET生物傳感器具有靈敏度高和特異性強(qiáng)等優(yōu)點，非常適合用于蛋白質(zhì)、病毒和小分子等疾病標(biāo)志物的檢測［82，83］.

感染性疾病是指病毒或細(xì)菌侵襲人體引發(fā)的疾病.在感染早期，檢測微量蛋白毒素對于確定感染性疾病的發(fā)展程度非常重要.傳統(tǒng)的病毒、細(xì)菌分離和血清學(xué)方法耗時長、靈敏度低，難以滿足臨床診斷的需求.為了實現(xiàn)超低濃度水平的快速檢測，Ou等［84］采用核酸適體功能化的生物傳感器來檢測蛋白毒素.Kim等［85］設(shè)計了一種炭疽毒素適體修飾的溶液柵石墨烯FET生物傳感器，實現(xiàn)了對炭疽毒素高特異性、高靈敏度的檢測，檢出限低至12 amol/L.與抗體修飾的FET生物傳感器相比，適體與炭疽毒素的親和力更高、在溝道表面形成的結(jié)合位點更多，顯著降低了炭疽毒素的檢出限.在此基礎(chǔ)上，Kim等［85］又用AuNPs修飾石墨烯，使得轉(zhuǎn)導(dǎo)信號進(jìn)一步放大，顯著提高了檢測靈敏度，檢出限降低了一個數(shù)量級.

碳酸酐酶1（CA1）是多種疾病如胰腺炎和糖尿病等的疾病標(biāo)志物.Kumar等［77］開發(fā)了一種CA1適體功能化的溶液柵石墨烯FET生物傳感器用于CA1的高特異性、高靈敏檢測，檢出限達(dá)到330 fmol/L.在該研究工作中，Kumar等采用溶液柵的檢測方式來縮小工作電壓范圍，保持了適體和CA1原有的結(jié)構(gòu)和活性.該FET生物傳感器能夠直接檢測出唾液樣本中的CA1，在CA1相關(guān)疾病的早期診斷和預(yù)后中具有非常大的應(yīng)用前景.

FET生物傳感器不僅能夠?qū)μ囟ǖ哪繕?biāo)分子進(jìn)行檢測，還可以通過改變核酸適體達(dá)到檢測不同生物分子的目的.Sharon等［86］使用凝血酶適體修飾溶液柵rGO FET，并對凝血酶進(jìn)行無標(biāo)記檢測，檢出限可達(dá)29 nmol/L.該FET生物傳感器還可以進(jìn)一步用于分析Hg2+.Sharon等將凝血酶適體改為Hg2+特異性的核酸適體，該適體與Hg2+形成胸腺嘧啶-Hg2+-胸腺嘧啶橋（T-Hg2+-T），構(gòu)成穩(wěn)定的雙鏈DNA納米結(jié)構(gòu)，對Hg2+的檢出限可達(dá)1.2μmol/L.

FET傳感器的工作原理是根據(jù)溝道材料上載流子密度的變化產(chǎn)生相應(yīng)的電學(xué)信號變化，因此只有目標(biāo)分子帶有一定量的電荷時，與核酸適體結(jié)合后才會被FET檢測到.因此在檢測不帶電荷或者攜帶電荷過小的靶標(biāo)分子時，F(xiàn)ET生物傳感器具有一定的限制［87，88］.為了解決這個問題，Wang等［89］設(shè)計了一種適體修飾的溶液柵石墨烯FET生物傳感器，通過競爭性親和測定法對低電荷小分子硫酸脫氫表雄酮（DHEA-S）進(jìn)行了無標(biāo)記和特異性檢測（圖9），檢出限低至44.7 nmol/L，能夠滿足臨床診斷中對DHEA-S的檢測標(biāo)準(zhǔn).在檢測過程中，適體與目標(biāo)分子特異性結(jié)合后從石墨烯表面釋放.由于適體帶的電荷量較大，適體的釋放會顯著降低溝道材料表面的電荷，從而引起石墨烯電導(dǎo)率的顯著變化，實現(xiàn)對低電荷分子的高靈敏檢測.

Fig.9 Principle of graphene sensor for the detection of small molecules[89]

除了通過核酸適體與目標(biāo)分子結(jié)合后從溝道材料表面脫離的方法來引起溝道材料表面電荷變化外，還可以通過使用金屬陽離子改變適體在材料表面的構(gòu)型來實現(xiàn)高靈敏傳感［90］.Nakatsuka等［6］采用對二價陽離子靈敏的多巴胺適體來提高多巴胺的檢測靈敏度.二價離子能夠與多巴胺適體結(jié)合，改變多巴胺在In2O3薄膜表面的構(gòu)型，增加多巴胺適體與In2O3薄膜的接觸面積.在這種情況下，適體在結(jié)合多巴胺之后會產(chǎn)生一個較顯著的信號變化，提高檢測靈敏度（圖10）.

Fig.10 Effect of divalent metal cations on the conformation of aptamers binding to dopamine[6]

石墨烯是一種零帶隙材料，開關(guān)比較低，限制了石墨烯FET傳感器的靈敏度.通過調(diào)控石墨烯的結(jié)構(gòu)能夠打開石墨烯的帶隙，提高傳感靈敏度［91］.Kwon等［92］使用聚吡咯轉(zhuǎn)化的氮摻雜少層石墨烯作為溝道材料制備溶液柵FET生物傳感器，再用抗血管內(nèi)皮因子（VEGF）核酸適體修飾該FET生物傳感器，用于特異性檢測VEGF，檢出限為100 fmol/L.該生物傳感器表現(xiàn)了出色的靈敏度、重現(xiàn)性和機(jī)械柔韌性.除了摻雜石墨烯的方法，我們團(tuán)隊［7］通過介孔掩模板結(jié)合氧等離子體刻蝕方法在石墨烯內(nèi)部引入了均一的納米孔，制備出具有優(yōu)異電學(xué)性能和高比表面積的石墨烯納米篩（GNM）.在量子局限效應(yīng)和邊緣效應(yīng)的影響下，GNM具有高的開關(guān)比.在GNM上非共價修飾乳腺癌特異性標(biāo)志物人表皮生長因子受體2（HER2）后，能夠?qū)ER2和乳腺癌細(xì)胞進(jìn)行高靈敏和特異性的檢測（圖11），對HER2的檢出限低至0.6 fmol/L.HER2適體修飾的GNM溶液柵FET生物傳感器在結(jié)合帶正電的HER2之后，GNM表面的電荷降低，從而引起電流的變化.該研究工作不僅為打開石墨烯的帶隙提供了一種策略，還為制備低成本、高性能的FET生物傳感器提供了新思路.

Fig.11 Schematic of the fabrication process of GNMFET biosensor[7]

實時監(jiān)控藥物濃度水平、實現(xiàn)病人個性化服藥對安全有效的治療至關(guān)重要［93］.Wiedman等［94］構(gòu)建了核酸適體功能化的石墨烯FET生物傳感器用于檢測泊沙康唑，證明核酸適體功能化的石墨烯FET生物傳感器可以用于藥物監(jiān)測.Stoltenburg等［95］開發(fā)了核酸適體功能化的FET生物傳感器來檢測氨基糖苷類和抗逆轉(zhuǎn)錄病毒藥物等.Hao等［96］研發(fā)了一種胰島素特定受體（IGA3）修飾的溶液柵石墨烯FET生物傳感器，實現(xiàn)了對胰島素的實時監(jiān)測（圖12），檢出限低至35 pmol/L.當(dāng)IGA3與胰島素結(jié)合時，其構(gòu)型會發(fā)生變化，從而影響石墨烯的載流子密度.與基于抗原-抗體的傳感器件相比，適體對胰島素具有更高的特異性，可以顯著提高器件的特異性和靈敏度.Hao等還驗證了該生物傳感器在Krebs-Ringer碳酸氫鹽緩沖液（標(biāo)準(zhǔn)胰島素灌注液）中的檢測實用性，對于臨床中胰島素的實時監(jiān)測具有重要意義.

3.3.2 環(huán)境監(jiān)測 抗生素是重要的醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，對人類和動物的疾病治療發(fā)揮了重要作用.然而抗生素的濫用導(dǎo)致了抗性基因和耐藥菌的出現(xiàn)，對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成了巨大威脅.為了實現(xiàn)抗生素污染的有效治理，對抗生素進(jìn)行實時監(jiān)控非常重要.抗生素的檢測技術(shù)主要包括色譜［97］、微生物分析［98］和酶聯(lián)免疫吸附測定［99］等方法.其中色譜和質(zhì)譜法成本高、耗時長、操作復(fù)雜.微生物分析法準(zhǔn)確性差、重現(xiàn)性不高.酶聯(lián)免疫吸附測定法也存在耗時長和酶易失活等問題.FET生物傳感器具有靈敏度高和檢測速度快等優(yōu)勢.Chen等［100］設(shè)計了一種妥布霉素適體修飾的背柵rGO FET傳感器，對妥布霉素實現(xiàn)了高靈敏檢測［圖13（A）］，檢出限低至0.3 nmol/L.在該研究中，Chen等分別用6-巰基-1-乙醇和1-芘丁醇修飾AuNPs和rGO，從而在器件表面形成化學(xué)鈍化層，有效地消除了非特異性吸附，提高了傳感器的特異性和選擇性.在此基礎(chǔ)上，Chen等［101］設(shè)計了一種新型卡那霉素適體（APT-CS），以此適體修飾的MoS2FET傳感器有效增強(qiáng)了器件的特異性和選擇性，實現(xiàn)了卡那霉素（KAN）的高特異性檢測［圖13（B）］.在檢測過程中KAN與APT-CS之間發(fā)生“置換反應(yīng)”，使得APT-CS在與KAN結(jié)合后從MoS2表面釋放出來，有效提高了檢測特異性和靈敏度.

高靈敏、快速檢測環(huán)境中的細(xì)菌等病原體對于環(huán)境監(jiān)測、食品安全和人類健康具有重要意義.傳統(tǒng)的細(xì)菌檢測方法通常是細(xì)菌培養(yǎng)法和代謝指紋法，盡管這些方法準(zhǔn)確可靠，但是耗時長且過程復(fù)雜［102］.近年來，核酸適體修飾的FET傳感器已經(jīng)被用于高靈敏、快速檢測細(xì)菌.Wu等［103］通過芘亞磷酰胺將核酸適體（PTDA）固定在石墨烯表面，并以此制備了一種溶液柵石墨烯FET（APG-FET）生物傳感器，用于大腸桿菌（E.coli）的高靈敏檢測（圖14）.該APG-FET對E.coli的檢測具有高靈敏度、高選擇性和低檢出限等優(yōu)勢，檢出限達(dá)到102CFU/mL.優(yōu)于Thakur等［104］使用的抗體分子功能化的rGO FET（其對E.coli的檢出限為103CFU/mL）.

Fig.12 Schematic representation of the graphene sensor for insulin detection[96]

Fig.13 Preparation of aptamer functionalized rGO FET biosensor(A)[100]and schematic diagram of the structure and substance change on MoS2/APT/CS platform(B)[101]

Fig.14 Sensing mechanism of APG?FET biosensors for E.coli(A)and charge distribution of APG?FET biosensor before and after binding to E.coli(B)[103]

重金屬污染是指重金屬或其化合物造成的環(huán)境污染.當(dāng)重金屬從環(huán)境中進(jìn)入人體時，會與人體內(nèi)蛋白質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用而導(dǎo)致蛋白質(zhì)失活，也有可能在人體的某些器官內(nèi)富集從而導(dǎo)致重金屬中毒［105］.Hg2+是一種劇毒的環(huán)境污染物，即使在極低的濃度下也會影響人體的免疫系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng).因此，快速便捷地對Hg2+進(jìn)行高靈敏檢測在醫(yī)療健康和環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域具有重要意義.Tu等［106］設(shè)計了Hg2+核酸適體功能化的溶液柵石墨烯FET陣列對Hg2+進(jìn)行特異性檢測.即使在含有多種金屬離子的混合溶液中，該傳感器對Hg2+依然具有出色的選擇性，檢出限可達(dá)40 pmol/L.鉛是一種累積性重金屬，會對兒童未成熟的神經(jīng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p傷.Wang等［107］使用核酸適體修飾的溶液柵石墨烯FET對兒童血鉛進(jìn)行高靈敏檢測，檢出限達(dá)到180 pmol/L.該器件還表現(xiàn)出了對Na+，K+，Mg2+和Ca2+等金屬陽離子出色的檢測選擇性和靈敏性.

4 問題、挑戰(zhàn)與展望

目前，核酸適體功能化的二維材料FET傳感器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測和食品安全等領(lǐng)域.但是要滿足實際應(yīng)用需求，核酸適體功能化的二維材料FET傳感器仍然面臨一些問題和挑戰(zhàn).

實際檢測體系非常復(fù)雜，目標(biāo)分子處于實時動態(tài)變化中，對傳感器的傳感穩(wěn)定性和重現(xiàn)性提出了非常高的要求.二維材料作為FET傳感器的溝道材料，直接決定了傳感性能.然而，目前的制備方法依然難以制備大面積均一、高質(zhì)量的二維材料.此外，二維材料與金屬電極之間的接觸界面容易產(chǎn)生肖特基勢壘，影響器件的性能，因此發(fā)展合適的策略來優(yōu)化兩者之間的界面能夠有效提高傳感器的傳感性能.FET傳感器具有微型、易于集成化等優(yōu)勢，是發(fā)展數(shù)字化檢測設(shè)備的理想器件，而目前對于FET傳感器的研究依然停留在概念性和原理驗證階段，很少有檢測設(shè)備原型開發(fā)［17］，難點在于將FET傳感器與功能元件進(jìn)行有效集成并保證信號的有效傳輸，這涉及到化學(xué)、物理、微電子、材料及計算機(jī)等學(xué)科的交叉.因此，在未來的研究中需要發(fā)展多學(xué)科交叉研究，促進(jìn)二維材料FET傳感器在實際中的應(yīng)用，解決醫(yī)療診斷和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的實際問題.

盡管核酸適體具有高特異性和低免疫原性等優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中還存在一定限制.一方面是核酸適體尺寸小的問題.雖然適體尺寸小可以有效克服德拜屏蔽效應(yīng)，但適體與目標(biāo)分子的作用面積也會相對較小，因此更容易受到脫靶效應(yīng)和交叉反應(yīng)的影響［108］.另一方面是成本問題，雖然核酸適體已經(jīng)比抗體的成本低了很多，但是在大規(guī)模合成時成本依然較高［109］，尤其是RNA適體的合成.此外，在復(fù)雜的環(huán)境體系中核酸適體的穩(wěn)定性較弱，且容易被核酸酶分解.

FET傳感器憑借優(yōu)異的電學(xué)性能和高靈敏度等優(yōu)勢，在目標(biāo)分子快速檢測中具有極大優(yōu)勢，在醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測和食品安全等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用［110］.在未來的研究中，調(diào)控二維材料的生長或制備方法來獲得大規(guī)模、尺寸均一的二維材料及優(yōu)化二維材料與電極之間的界面來減小肖特基勢壘等策略對于發(fā)展高性能的二維材料FET傳感器具有重要意義.針對核酸適體，在未來的研究中需要合成更長的核苷酸鏈來增大核酸適體與靶標(biāo)分子的作用面積和作用力［111］.另外，由于核酸適體在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定性較弱，容易被核酸酶等降解，未來在核酸適體上修飾保護(hù)性基團(tuán)是非常必要的.為了滿足實際應(yīng)用需求，需要對多種目標(biāo)分子進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)控.微納加工技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了大規(guī)模FET傳感器陣列的制備及目標(biāo)分子的高通量檢測［112］.將高穩(wěn)定性和高靈敏的核酸適體功能化的FET傳感器與信號轉(zhuǎn)換和傳輸單元等進(jìn)行有效集成，發(fā)展數(shù)字化監(jiān)測設(shè)備以滿足對于家庭醫(yī)療、個性化管理和環(huán)境監(jiān)測等的需求是未來的發(fā)展方向.