《IEEE Sensors Letters》：Electrolyte-Gated Graphene FETs for Acetylcholine Detection via Functional Layer-assisted Transfer Approach
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为解决神经退行性疾病诊断中乙酰胆碱(ACh)检测的技术瓶颈，研究人员开发了一种基于功能层辅助转移(FLaT)策略的电解质门控石墨烯场效应晶体管(EG-GFET)生物传感器。该传感器通过苝双酰亚胺(PBI)连接层实现乙酰胆碱酯酶(AChE)的稳定固定，在0.1–1000 μM浓度范围内实现对ACh的灵敏检测，狄拉克点偏移量达显著水平。此项工作为神经递质实时监测提供了高稳定性、可扩展的传感平台，在医学诊断和化学威胁检测领域具重要应用潜力。
乙酰胆碱（ACh）作为胆碱能系统中的关键神经递质，不仅参与神经元增殖、分化等生理过程，更与阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病的病理机制密切相关。然而，传统检测方法如毛细管电泳、色谱-质谱联用等技术存在操作复杂、成本高昂、动态范围有限等局限性，难以满足实时监测需求。近年来，场效应晶体管（FET）生物传感器因其高灵敏度、易微型化等优势成为研究热点，其中石墨烯场效应晶体管（GFET）更凭借其卓越的电子迁移率和比表面积展现出巨大潜力。但石墨烯表面功能化过程中的污染问题以及生物分子固定稳定性仍是技术瓶颈。
针对这一挑战，德国联邦国防大学慕尼黑分校Ksenija Arslanova团队在《IEEE Sensors Letters》发表研究，提出一种基于功能层辅助转移（FLaT）策略的电解质门控GFET传感器，实现了对ACh的高性能检测。该研究通过后生长功能化技术在化学气相沉积（CVD）生长的石墨烯表面直接修饰苝双酰亚胺（PBI）分子层，既避免了转移过程中的污染，又为酶固定提供了非共价锚定平台。原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）分析表明，FLaT处理后的石墨烯表面粗糙度降至1.7 nm，显著低于未功能化样品的3.2 nm，证实该方法可有效减少聚合物残留。通过碳二亚胺交联化学将乙酰胆碱酯酶（AChE）共价固定在PBI层上，X射线光电子能谱（XPS）中氮信号增强和碳谱中C–N/C–O峰位变化验证了酶的成功固定。
关键技术方法
研究采用铜箔基底CVD法生长单层石墨烯，立即通过FLaT策略在石墨烯表面自组装PBI分子层。利用AFM、SEM、拉曼光谱表征材料质量，通过XPS和AFM高度剖面（酶固定后厚度增至5.5 nm）验证生物功能化效果。构建电解质门控GFET传感器，在缓冲液中测试转移特性曲线，以狄拉克点偏移量为指标量化ACh浓度响应。
研究结果
1. 器件表征
拉曼光谱显示石墨烯G峰（1587 cm–1）与2D峰（2675 cm–1）强度比≥2，证实为单层高质量石墨烯（图1a）。FLaT石墨烯的拉曼图谱中出现PBI特征峰（1302 cm–1），其与G峰强度比为1.1，表明分子层致密排列（图1b）。AFM高度剖面显示酶固定后通道厚度由1 nm（裸石墨烯）增至5.5 nm，与AChE晶体学尺寸（45×60×65 ?）相符（图2a）。
2. 生物传感器响应
电解质门控GFET在~1 V低栅压下工作，转移曲线呈V形ambipolar（双极）特性，狄拉克点（VDirac）稳定于0.382±0.004 V（图3b）。加入ACh后，AChE催化其水解产生乙酸，引起溶液pH下降及H3O+吸附，导致石墨烯发生n型掺杂，狄拉克点向负电压偏移（图3c）。校准曲线显示，功能化器件在0.1–1000 μM范围内呈浓度依赖性响应，而对照组无显著偏移，证实检测特异性（图3d）。
结论与意义
本研究通过FLaT策略成功构建了高稳定性ACh生物传感器，解决了石墨烯表面污染与生物固定难题。传感器在生理相关浓度范围内具备优异响应能力，为神经退行性疾病诊断和有机磷化合物检测提供了新思路。未来需进一步优化抗干扰性能并与现有技术进行定量对比，以推动实际应用。
