美國威斯康星大學(xué)：研究可擴(kuò)展石墨烯傳感器陣列，應(yīng)用于水中毒素的實(shí)時(shí)監(jiān)測

【美國威斯康星大學(xué)：研究可擴(kuò)展石墨烯傳感器陣列，應(yīng)用于水中毒素的實(shí)時(shí)監(jiān)測】

飲用水中的有毒元素暴露了數(shù)億人口于危險(xiǎn)的污染物之中，這可能威脅公共衛(wèi)生，并導(dǎo)致各種疾病的傳播，如腹瀉和癌癥。可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)要求到2030年實(shí)現(xiàn)對安全、負(fù)擔(dān)得起的飲用水的普遍和公平訪問，該水應(yīng)免受糞便污染（例如細(xì)菌）和重要化學(xué)污染物（例如重金屬）的影響。因此，迫切需要識別水中的潛在健康危害，以提供早期警告并預(yù)防災(zāi)難事件，這需要智能、快速、適應(yīng)性強(qiáng)且持續(xù)監(jiān)測的傳感系統(tǒng)來預(yù)測水污染。與基于的質(zhì)譜技術(shù)的耗時(shí)、昂貴和龐大的實(shí)驗(yàn)裝置相比，這些實(shí)驗(yàn)裝置限制了它們進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測的能力，電子傳感器表現(xiàn)出在這方面有望完成任務(wù)的潛力，因?yàn)樗鼈兙哂械男阅埽ɡ纾焖夙憫?yīng)、高靈敏度和選擇性、低成本和易操作性）以及與現(xiàn)有水基礎(chǔ)設(shè)施和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)募蓾摿Α?/p>

基于二維（2D）層狀納米材料的場效應(yīng)晶體管（FET）已成功用于化學(xué)和生物傳感（例如，重金屬離子、氣體/生物分子和細(xì)菌。然而，用于實(shí)時(shí)水質(zhì)感知的2D FET傳感器的商業(yè)化仍然面臨挑戰(zhàn)，主要原因是設(shè)備質(zhì)量控制不佳，導(dǎo)致響應(yīng)趨勢、校準(zhǔn)和可靠性在設(shè)備之間存在差異。當(dāng)前解決這些問題的嘗試主要集中在控制傳感器通道材料的先決步驟上，包括2D納米材料的大規(guī)模化學(xué)氣相沉積生長、直接印刷其薄膜、旋涂在基底上的自組裝。在這些方法中，通過旋涂工藝將2D層狀納米材料濕法轉(zhuǎn)移到基底上，可以是大規(guī)模電子器件納米制造的高效、多功能和快速方法。然而，識別納米材料的單層和隨后在FET傳感器中形成對電極的圖案化是一項(xiàng)繁瑣、能源密集和成本高昂的工作。相比之下，通過交錯(cuò)電極并聯(lián)連接多個(gè)薄片可以更快速地?cái)U(kuò)大2D FET的制造規(guī)模，同時(shí)降低能源消耗和商業(yè)化成本。然而，目前尚無可綜合考慮設(shè)備變異的方法，可以通過直接將有問題的傳感器設(shè)備與非破壞性測量相關(guān)聯(lián)，在大規(guī)模制造過程中將它們隔離開來，也沒有用高級數(shù)據(jù)分析來模擬理想設(shè)備的傳感器響應(yīng)以實(shí)現(xiàn)高度精確的預(yù)測。

鑒于此，美國威斯康星大學(xué)Junhong Chen等人報(bào)告了一種自底向上的方法，用于在大規(guī)模制造過程中對2D FET傳感器設(shè)備的質(zhì)量進(jìn)行戰(zhàn)略性控制，這種方法使得能夠可靠且實(shí)時(shí)地監(jiān)測流動(dòng)水中的毒素，如在基于石墨烯的場效應(yīng)晶體管（GFET）傳感器陣列中所展示的。重金屬（鉛和汞）以及大腸桿菌細(xì)菌被選為代表性的污染物進(jìn)行測試，因?yàn)樗鼈兪秋嬘盟?yīng)中的主要污染物。技術(shù)上，首先通過在水中濕法轉(zhuǎn)移單層氧化石墨烯（rGO）分散液并隨后形成交錯(cuò)電極的圖案來制備晶圓傳感器器件，以通過它們的電子特性對均勻設(shè)備進(jìn)行預(yù)篩選。我們發(fā)現(xiàn)，在熱退火后，大多數(shù)（約60%）的設(shè)備都實(shí)現(xiàn)了相對較窄的電子分布（相對于眾數(shù)值的變化在±10%范圍內(nèi)），無論是電阻還是漏電流開關(guān)比。具有窄電子特性分布的初始制造過程只是獲得傳感器的先決條件。然后，通過將非理想的響應(yīng)行為（即雙向性）與低頻時(shí)測得的阻抗比Zˊ/Z?>1000相關(guān)聯(lián)，成功地識別了有問題的設(shè)備，這可能歸因于介電層（3納米Al2O3）中的光學(xué)不可見缺陷。漏電流噪聲功率譜密度（PSD）進(jìn)一步表明，在預(yù)篩選后，近乎理想的傳感器器件中不存在任何重要類型的缺陷，并驗(yàn)證了表面吸附的化學(xué)柵效應(yīng)。最后，通過機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）建模進(jìn)行了GFET傳感器陣列的響應(yīng)校準(zhǔn)，用于同時(shí)檢測流動(dòng)水中所選重金屬和細(xì)菌種類，實(shí)現(xiàn)了在ppb（cfu/mL）水平上的高精度分類和定量。