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石墨烯生物传感器进化:从硅器件到更低成本、更灵活的可生物降解塑料

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石墨烯联盟 2021-09-14 16:43

单层、电子级石墨烯在许多关键领域推动了先进的生物传感技术。在 Google 上搜索“graphene biosensor(石墨烯生物传感器)”这一搜索词,人们将看到成千上万的下一代、改善生活的应用在世界各地的研究实验室中得到完善。这种单原子层厚的材料正在创造具有前所未有的速度和灵敏度的生物传感和检测性能。癌症和病毒检测、新药发现、基因组学、过敏原、葡萄糖等领域正开始取得难以想象的进展。到目前为止,单层石墨烯薄膜的首要用途是原子级生物传感。

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从上到下:1)可降解气泡包装的石墨烯生物传感器,2)用于诊断的微流体管道、多路复用的塑料石墨烯病毒传感器芯片,3)通用的“塑料”石墨烯生物传感器片,兼容96孔板格式,可通过自动化进行高通量研究。

原因很容易理解:结合材料的单原子厚度尺寸、无与伦比的导电性、生物相容性、强度和透明度,很难在元素周期表上找到一种更合适的材料来提供生物反馈。单层石墨烯的来源也在不断增加,现在可以通过网站购物在互联网上廉价购买这种材料。因此,我们现在看到许多关键生命科学和诊断领域的商业化和规模化。

这种材料正在成熟,因为现在有许多非常有能力的基于石墨烯的生物传感器设备的商业设计者。从网站和其他公开信息中,我们可以发现:Cardea Bio,在基因组学和“Crispr-chip”等领域“连接生物学和电子学”;Hexagon Fab,用于药物发现的“蛋白质和小分子检测”;Hememics,用于即时病毒诊断;GRIP Molecular,用于家庭病毒检测;Nanomed,用于“小分子研究”;GraphWear,用于汗液中的葡萄糖检测,以及Graphene Dx正在药物滥用物质测试、过敏原等领域“改变消费者诊断”。

几乎所有这些开创性的石墨烯生物传感器公司都有一个共同点,那就是在硅制造环境中,在硅芯片上制造设备。这是可以理解的,因为硅制造设备(或“晶圆厂”)是人们可以找到制造纳米级设备的基本工具的地方;图案化、沉积和蚀刻在硅晶圆厂中都是可用的并且很容易被理解。

然而,这是一个来制作一个设备非常昂贵的地方。这些公司的一个典型制造成本为每个芯片 15 至 20 美元。再加上必须安装一块硅片的特殊和限制性封装,生物传感器芯片和它今天所处的昂贵封装的总费用可能在 25 美元到 40 美元甚至更多。

一个相关的问题:这些设备的特征和几何形状是否要求它们在硅片上制造?

今天,答案是否定的。从公开信息和专利申请中可以看出,与大多数计算机芯片相比,这些设备中的大多数具有相当大的几何尺寸,因此它们相对容易制造。石墨烯生物传感器没有小到需要在硅晶圆厂中制造的特征。此外,另一种公开信息显示,大多数设备不使用硅作为设备功能的任何部分。石墨烯传感器只是位于硅晶片的顶部,基本上使用硅作为加工衬底。

因此,人们不禁要问,这些设备必须在硅材料上制造吗?

在硅片上制造基于石墨烯的生物传感器的另一个问题是:任何在硅片上处理过单层石墨烯的人都知道这是非常具有挑战性的;石墨烯不喜欢出现在硅上。结合表面能问题、疏水性、转移带来的机械应变和其他挑战,目前石墨烯和硅结合的前景是低产量和昂贵的挑战。总部位于美国的Grolltex 等公司已经从事这项工作多年,它们可以证明将石墨烯和硅结合在一起的困难。剧透警告:目前没有商业晶圆厂提供石墨烯内部加工是有原因的。

因此,考虑到这一切,人们可能会认为,先进的硅上石墨烯诊断领域可能需要几十年才能解决所有这些实用性、成本和封装问题,并以任何有意义的方式真正优化基于石墨烯的生物设备并从中受益。好吧,它不必如此。事实证明,这些设备可以用塑料制成。

对于我们这些不是专家的人来说,塑料领域在生产具有强度、柔韧性、热韧性、可回收性和易于生物降解等特性的各种材料选择方面取得了长足的进步。除此之外,制造的灵活性、成本效益(在某些情况下接近100倍)、利于制造(例如在卷对卷模式中),以及拥有数十年历史的知识库,用塑料制造这些设备的吸引力立刻变得显而易见。顺便说一下,这种演化并不新鲜。随着硅基设备的发展,成熟的硅基设备设计转变为“塑料”并不罕见,只要有可能,就会这样做。柔性PCB板的世界也使许多应用发生了革命性的变化。

一些石墨烯生产商,如Grolltex,已经开始将基于硅的石墨烯生物传感器转换为“塑料”设计。一些关键的应用,如葡萄糖、蛋白质结合相互作用(用于药物发现和其他应用)和分子(例如检测病毒的DNA),已经被证明适用于塑料,而且没有明显的理由表明许多其他应用不能效仿。与硅材料相比,塑料材料的制造不仅可以节省成本,还可以实现包装和形状要素的灵活性,使许多以前不可能实现的新应用得以实现。

一个现实生活中的例子很好地说明了这一点:一位种树的农民想用一种先进的石墨烯生物传感器来测试田野里他的树木的健康状况,寻找导致一些果树和坚果树“叶子卷曲”的真菌。当时可用的石墨烯传感器是单一用途的,是安装在拇指驱动器式封装中的硅芯片。这种石墨烯生物传感器设备不仅每次测量花费50美元(使用一次就扔掉)而且农民必须在田间携带一台主机设备,如笔记本电脑,以便在每次读取时插入拇指驱动器。

相反,对于这种应用,我们讨论了一种塑料“气泡包装”(类似于阿司匹林或其他药丸包装)石墨烯生物传感器。在这里,农民可以撕下一个气泡包传感器(上图第一张),花费大约37美分,用手持阅读器获取数据。如果农民不小心掉了一个在地里,用过的气泡包就会被生物降解。

有了这些在塑料上制成的传感器,通过一种卷对卷的模式,用户友好的形状因子设计的类型几乎是无限的。

单层石墨烯的先进生物传感技术已经问世,并正在为人类健康领域带来革命性的机遇,比如Crispr-chip和癌症研究,这些领域刚刚变得清晰起来。在诊断的许多重要领域中,很容易获得的已发表的文献是引人注目的,在可能性方面几乎是压倒性的。早期的石墨烯生物传感器公司在之前讨论过的领域迅速发展,甚至大型华尔街对冲基金和私人股本集团也开始投资。采用的障碍与我们看到的其他突破性技术有许多相似之处:成本、易用性、灵活性和可持续性。随着石墨烯生物传感技术从硅芯片向塑料的转变,这一人类进步的关键领域现在有了一个更加开放的跑道。

文章来源:公众号【Carbontech】

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国际石墨烯产品认证中心IGCC(International Graphene Product Certificate Center)是全球化的独立第三方认证机构,IGCC于2018年1月18日正式成立,总部设在德国。IGCC的成立得到石墨烯产业技术创新战略联盟、欧洲著名石墨烯平台机构Phantoms Foundation等相关组织的支持。

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