【美國(guó)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(cè)】

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?？沙掷m(xù)發(fā)展目標(biāo)要求到2030年實(shí)現(xiàn)對(duì)安全、負(fù)擔(dān)得起的飲用水的普遍和公平訪問(wèn)，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(shí)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(cè)的傳感系統(tǒng)來(lái)預(yù)測(cè)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(cè)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(wú)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(chǎng)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(shì)、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(wèn)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(zhǎng)、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(guò)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(shí)別納米材料的單層和隨后在FET傳感器中形成對(duì)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(guò)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(wú)可綜合考慮設(shè)備變異的方法，可以通過(guò)直接將有問(wèn)題的傳感器設(shè)備與非破壞性測(cè)量相關(guān)聯(lián)，在大規(guī)模制造過(guò)程中將它們隔離開(kāi)來(lái)，也沒(méi)有用高級(jí)數(shù)據(jù)分析來(lái)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(cè)。

鑒于此，美國(guó)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(guò)程中對(duì)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(cè)流動(dòng)水中的毒素，如在基于石墨烯的場(chǎng)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(cè)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(guò)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(lái)制備晶圓傳感器器件，以通過(guò)它們的電子特性對(duì)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(duì)較窄的電子分布（相對(duì)于眾數(shù)值的變化在±10%范圍內(nèi)），無(wú)論是電阻還是漏電流開(kāi)關(guān)比。具有窄電子特性分布的初始制造過(guò)程只是獲得傳感器的先決條件。然后，通過(guò)將非理想的響應(yīng)行為（即雙向性）與低頻時(shí)測(cè)得的阻抗比Zˊ/Z?>1000相關(guān)聯(lián)，成功地識(shí)別了有問(wèn)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(jiàn)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(guò)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(cè)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。