石墨烯等二维材料不仅厚度极薄，而且灵敏度极高。因此，研究人员多年来一直在努力开发利用其特性的高灵敏度生物传感器。例如，基于石墨烯的场效应晶体管（GFET）可以记录分子与原子薄层相互作用时所引起的最微小的电子特性变化。然而，迄今为止，这种材料的超敏感性阻碍了这一想法的实际应用。
据麦姆斯咨询介绍，德国耶拿大学（Friedrich Schiller University Jena）的科学家们开发出了一种克服这一障碍的方法，有望为变革诊断技术铺平道路。他们的研究成果已经以“Ultrasensitive Detection of Chemokines in Clinical Samples with Graphene-Based Field-Effect Transistors”为题发表在Advanced Materials期刊上。
与其它生物传感器一样，基于石墨烯的生物传感器也需要功能化的表面，以使只有特定分子才能附着在该表面。例如，如果要从血液或唾液样本中检测特定的生物标记物，就必须在传感器表面涂上相应的对应物，即所谓的捕获分子。
“问题在于如果直接对石墨烯进行功能化处理，其电子结构会发生不利的变化。”耶拿大学Andrey Turchanin教授解释称，“那时石墨烯就不再是石墨烯了，我们真正想要利用的独特电子特性也就不复存在了。”在这种情况下，构建高灵敏度生物传感器的重要参数，例如电荷载流子的迁移率，会受到非常大的影响。
为此，Andrey Turchanin教授及其团队开发了一种基于范德华（vdW）异质结构的GFET传感器，这种异质结构由单层石墨烯与分子厚度≈1 nm的碳纳米膜（CNM）层叠而成。为了在实际患者样本中实现生物标记物检测的特异性和可靠性，传感器功能化中加入了非天然l构型的生物稳定适体和亲水性聚乙二醇，以避免非特异性吸附。
通过分子中间层实现功能化
Andrey Turchanin教授团队与来自产业界、科研以及医学领域的合作伙伴一起，开发出了一种对石墨烯进行功能化且不干扰其特性的方法。Andrey Turchanin教授解释说：“我们在石墨烯上应用了一层分子碳纳米膜，它和石墨烯一样薄，只有约1 nm。这个中间层是介电的，也就是说它不导电。”
这两种成分通过所谓的范德华力相互连接，形成了一种异质结构，能够在不影响石墨烯电子特性的情况下对其进行功能化。
该研究所提出的L-AP/PEG-CNM GFET传感器的制造步骤示意图
这是因为化学活性官能团可以不受干扰地应用于分子中间层，在分子中间层上可以附着任何数量的不同捕获分子。当所需的对应分子附着时，它们会将电场传输到石墨烯上，从而改变这种材料的电信号，而不会影响其特性。
复杂临床样本的研究
为捕获分子，研究人员在分子中间层的化学活性官能团上装载了人工制造的适体，这种适体可以非常有针对性地结合特定分子。他们还在碳纳米膜上添加了一层聚乙二醇（一种常用于医药领域的合成聚合物）蛋白排斥层进行功能化。这能防止一些不想要的东西附着在表面上。这样，就能在复杂的生物样本中找到所需要的生物标记物。
通过这一实验装置，研究人员成功地检测到了趋化因子——一类在人体免疫系统中发挥重要作用的蛋白，由于它们具有诱导附近反应细胞定向趋化的能力，因而命名为趋化细胞因子，由此，可以在疾病诊断中作为生物标志物发挥重要作用。
Andrey Turchanin说：“得益于与荷兰一家医学实验室的合作，我们在这些实验中使用了真实患者的鼻拭子样本。更重要的是，我们开发的石墨烯传感器不只可以发现一种生物标志物，而是数百种。”
通过互补光谱技术表征L-AP/PEG-CNM GFET传感器及其功能性能
更灵敏、更快速、更经济
Andrey Turchanin说：“这项研究成果可能对未来的诊断技术具有开创性意义，因为我们已经扫除了石墨烯生物传感器开发道路上的一大障碍，这种传感器比目前临床应用领域使用的任何传感器都要高效得多。它的灵敏度要高得多，速度也快得多，五分钟左右就能得到结果，而且如果大量生产，成本效益也很高。”
其测量原理是纯电学原理，电流的变化本身代表了是否发现所寻找的生物标志物。因此，这种生物传感器可以很容易地与即时诊断设备相结合，融入日常临床实践。Turchanin说：“通过我们的手机甚至都有可能做到这一点。”
