几分钟就能检测疾病?剑桥出身的Paragraf用石墨烯重新定义生物传感器

“19世纪是铁器的时代，20世纪是硅的时代，21世纪是碳的时代。”十年前这句话就流行于材料行业，十年后的今天再看这句话依然不过时，它是否夸张，或许几十年后才能判断，但从2004年英国物理学家A．Geim和K．Novoselov等人首次从石墨中分离出石墨烯至今，全球加入石墨烯行业的企业如过江之鲫，其中，初创企业Paragraf凭借它独特的专利技术把石墨烯玩出了新花样。

Paragraf是一家生产高质量、大面积石墨烯电子设备的科技公司。近日，该公司成功完成6000万美元（4500 万英镑）的B轮融资，本次融资由New Science Ventures领投，已有投资者In-Q-Tel，Parkwalk Advisors，Molten Ventures和IQ Capital等跟投，本轮融资将用于扩大业务规模、提升研发能力和基础设施，目标是使Paragraf进一步扩张尤其是向国际市场发展。 

Paragraf总部位于英国剑桥郡萨默舍姆，是从英国剑桥大学材料科学系独立出来的一家石墨烯电子设备供应商，由Simon Thomas教授和Colin Humphreys博士在2015年联合创立。

该公司首席执行官兼创始人Simon Thomas拥有物理、工程和材料科学的多学科背景，这使得他能够真正理解石墨烯的前沿生产科技，并将其运用到现有产品中。

另一位创始人Colin Humphreys则拥有将前沿科学商业化的成功经验，创立了多家从知名大学中分拆出来的科技公司，例如劳斯莱斯大学研究中心就是由其指导创立，目前正为劳斯莱斯汽车发动机提供新型合金。

不仅两位创始人，Paragraf的高管团队都拥有材料科学领域的背景，这为Paragraf能够走在石墨烯领域前沿奠定了基础。

核心专利：在半导体兼容基板上直接沉积石墨烯

石墨烯是一种二维碳原子层材料，其中碳原子之间以sp2杂化的方式相互连接形成六角形的环形结构，进而形成了蜂巢状排列的晶格材料，这一特性使得石墨烯能够比其他材料在相同面积内有更多生物识别位点，并且电子在石墨烯中的迁移速度极快，达到了光速的1／300，赋予石墨烯良好的导电性。以上特性均有利于石墨烯在生物传感领域的应用，改善生物传感器的灵敏度、集成性等特点。

因为石墨烯是单层碳原子堆积而成，所以石墨烯厚度极薄，导致其在实验室中少量制备相对容易，但工业上大量生产则很困难。

目前最常用于工业生产石墨烯的是CVD（化学气相沉积）法。CVD法将金属（Ni、Cu等）作为生长基底，通入含碳物质作为碳源，高温下碳源受热分解产生碳原子沉积在金属基底上，形成稳定的石墨烯膜。

但通过传统CVD法制备的石墨烯是附着在金属基底上，无法直接应用于传感器中，需要将原先的金属基底刻蚀，再将石墨烯转移到半导体兼容基板上，这个过程不可避免的会引起石墨烯褶皱，还可能造成石墨烯污染，褶皱和污染导致结构不完整，结构不完整的石墨烯性能将大大下降。

Paragraf开创了一种使用金属-有机化学气相沉积法(Metal Organic Chemical Vapour Deposition，MOCVD)生产石墨烯的技术，并为其申请了专利。

MOCVD法是制造工艺领域的术语，用于描述一类在半导体晶片上直接沉积超薄单晶层的技术，该技术对温度控制和原材料的要求远高于CVD法。Paragraf是首个将MOCVD法运用于大量生产石墨烯的厂商，此前也有专利描述用MOCVD法生产石墨烯，但都没有提及生产结果。

根据Paragraf获得的专利介绍，他们的生产流程分为两部分。

第一部分是高温生成石墨烯，首先把半导体基板（例如硅、氮化镓 、碳化硅、硅锗）装载到MOCVD反应室中，随后将至少有一个杂原子的有机化合物混合稀释气体通入反应室。（有机化合物指包含碳并且通常具有至少一个共价键如C-H或C-C键的化合物，杂原子指除碳或氢之外的原子。本工艺选用的有机化合物杂原子最好为金属原子，或者N、S、P、Si或者卤素。）

Paragraf发现如果通入三甲基镓Ga(CH3)3作为前体物时，生成的石墨烯中不会有Ga的掺杂，所以该工艺可以使用成本更低的含有杂原子的有机化合物。

通入前体物后，将反应室温度升高到1050℃、基底温度升高到1350℃，此时碳完全分解。这一步要大量均匀的通入原材料，才能使石墨烯均匀的沉积在基板上。

第二部分是将石墨烯沉积在半导体基板上：在碳完全分解后15分钟内，将反应器冷却至室温，压力回升至大气压力，石墨烯沉积在半导体基板中。这一步的难点是精准的温度控制，当前的大部分MOCVD法是恒温工艺，很难控制均匀降温过程，影响石墨烯结构。

Paragraf实现将石墨烯直接生成在半导体基板上的技术，减少转移程序节省时间，没有铜金属基底和刻蚀液的消耗，避免产生废液污染环境，最重要的是生产的石墨烯表现出高度的结构完整性，确保了石墨烯电子设备的出色性能。

2021年底，Paragraf凭借这一专有技术入围英国TechWorks 电子技术创新奖。

石墨烯霍尔效应传感器：极端环境下仍能发挥超高性能

依托MOCVD这一核心技术，Paragraf推出三款核心产品：霍尔效应传感器，生物传感器和固态设备。

Paragraf生产的霍尔效应传感器GHS系列有两款产品：GHS-A和GHS-C。

 产品图 来源：Paragraf官网

GHS-A推荐在常温条件下使用，以发挥其最佳性能，不过较低的温度环境也能发挥不错性能，适用于电动汽车、局部电流密度分析和电池等场景。

GHS-C适用于极低温环境，用于在极端温度和磁场范围内进行超高分辨率磁场测量。石墨烯作为一种二维纳米材料对环境温度变化十分敏感，导致石墨烯传感器虽然性能强劲，但易受温度影响。据Paragraf介绍，GHS-C实现了<0.2 ppm 的分辨率，功耗为皮瓦级，可承受最低-271 °C (1.8 K) 的温度。GHS系列出色的完成了极端温度条件对传感器的挑战。

不仅如此，市面上传统的磁场传感器都会出现平面霍尔效应干扰测量结果，而欧洲核研究组织（CERN ）研究发现Paragraf的石墨烯霍尔效应传感器在使用中几乎不存在平面霍尔效应，因此该产品也可在局部磁场中使用。

2020年，Paragraf 的GHS系列传感器进入市场，最初只是小批量供应产品，后来逐步打开市场。目前，Paragraf的石墨烯霍尔效应传感器GHS系列已广泛应用于航空航天、半导体、医疗保健、汽车、科学研究、工业和量子计算领域。

Paragraf希望，他们生产的石墨烯霍尔效应传感器能成为下一代电池系统的标准电池组件。

石墨烯生物传感器：旨在以即时准确的检测方式改变医疗服务

Paragraf的第一个核心产品GHS系列上市后受到广泛应用，其下一个突破性产品石墨烯生物传感器——GBS系列正在研发中。

据Paragraf介绍，GBS系列可以在几分钟内完成几种不同常见疾病的检测，加快一线医院的检测速率，更及时精确的为患者提供诊疗方案。预计该产品将用于临床医学、兽医、环境监测、农业和食品安全等领域中。

Paragraf认为现有的两种应用广泛的检测技术——免疫测定和核酸扩增技术（例如PCR技术) 虽然技术已经很成熟，但实际应用仍存在局限。首先这两种技术的样品制备都很复杂，需要精密的实验室设备和专业操作人员密切配合；其次这两种技术不兼容，不能在相同的设备上同时进行。受制于这两点，初级医疗保健机构通常不能进行准确即时的疾病诊断。

而Paragraf石墨烯生物传感器GBS系列具有进行准确即时诊断的潜力。

石墨烯良好的生物相容性，使得核酸、蛋白质、葡萄糖、肽类、微生物等生物分子都可以通过物理吸附或者化学键偶联的方式连接到石墨烯表面，意味着石墨烯可以同时检测多种生物分子。

石墨烯还具有极高的电子迁移率，为生物传感器的高速、灵敏奠定基础。良好的生物相容性＋高灵敏度，决定了GBS系列能够检测流体和气体中极低浓度的病原体。

同时石墨烯生物传感器的工作机制是使生物信号转化为电信号，检验就在一瞬间完成，所以无需为了光学检测而制备复杂的样本。

目前Paragraf已实现可重复的石墨烯制造工艺，每次生产的材料都是相同尺寸和质量，所以每次测量都是定量准确的，即使执行多项测试也只需从患者身上取一个小体积样本。

为了进一步改善患者体验，Paragraf正在与患者与公众参与 (public and patient involvement ，PPI) 领域的专家合作，以期在研发石墨烯生物传感器的过程中增加来自患者或公众的视角，满足更多的社会需求。

今年1月，Paragraf邀请Malcolm Stewart担任其石墨烯生物传感器产品线的业务发展总监。Malcolm在生物医学领域拥有丰富知识和经验，预计他加入后将开展与业内专家的合作，进一步提高石墨烯生产技术，并且凭借自己坚实广泛的生物医学知识缩短研发周期。我们可以从此举中瞥见Paragraf对石墨烯生物探测器研发的决心。

在石墨烯生物传感器的商业愿景方面，Paragraf直言，他们的目标是将生物传感器GBS系列销往全球。目前，Paragraf正在寻找能够与之合作的成熟的医疗设备供应商。

除了生物传感器，Paragraf正在研发的还有石墨烯固态设备GSS系列，例如晶体管和光调制器。不过比起前者，GSS系列似乎还有更长的路要走。

外包封装组件工作，确保核心业务

科技上的进步只有离开了实验室才能真正造福社会，Paragraf就是在做着这样一件事：将前沿技术商业化。但Paragraf一家企业目前还不能完成从石墨烯生产到材料封装组件所有工作，于是他们与圆晶代工厂合作，以确保他们能够集中精力研发石墨烯生产。

在与圆晶代工厂合作的过程中，Paragraf发现了新的问题：即使厂家对石墨烯很感兴趣，但仍然担心使用新材料会污染生产线。为了消除厂家的疑虑，Paragraf在三条独立的生产线上进行试点，证明了其产品与原有生产线是兼容的。

Paragraf深知独木不成林的道理，不仅在产品生产过程中广泛合作，在石墨烯研发中也广泛合作，目前他们已经与欧洲核子研究中心(CERN)、国家物理实验室和劳斯莱斯等许多全球闻名的组织合作，涉足领域包括传感器和半导体技术等。

Paragraf 的联合创始人兼首席执行官Thomas说：“我们的目标是不断提高电子设备的性能，不断降低人类对电力的依赖，石墨烯电子产品还很年轻，还有很长的路要走，但我们已经能看到它的未来。”

国内石墨烯赛道竞争激烈：资源大国＋专利总数第一

过去十年，石墨烯一直是材料领域的热点话题，被认为是“21世纪的未来材料”。全球大概有80个国家数万家企业涉足石墨烯行业，包括美国科技巨头IBM、英特尔，作为石墨烯的“诞生地”，英国长期以来处于研究领先地位。

中国是天然石墨资源大国，其产量几乎占世界总产量的 1/2，在石墨烯产业中具有天然优势，中国申请的石墨烯相关专利数量世界第一，国内目前与石墨烯生产和应用相关的企业超过一万家，其中大部分是中小企业，集中在东部沿海地区。

国内石墨烯行业中，领先的企业有方大碳素，贝瑞特、第六元素、碳元科技，宁波墨西，各家企业生产的石墨烯膜年产量可达百万平方米级，且各家公司业务各有侧重点，例如方大炭素主营石墨电极、特种石墨制品、碳素制品生产用原料等，贝瑞特生产人造石墨负极、天然石墨负极等，第六元素主要生产石墨烯粉体材料。

由此可见，我国石墨烯行业现有竞争者数量较多，行业内竞争激烈。石墨烯产业链上游为石墨矿提供商，产品同质化强，因此上游议价能力较低；中游就是石墨烯制造商；下游是石墨烯应用产品，下游受上游石墨烯产量影响，目前主要涉及光电产品领域，能源技术领域和传感器领域。

目前，石墨烯应用于生物传感器领域还正处于研发阶段，尚未大规模的商用，远不如其他领域石墨烯传感器成熟，不过随着未来政策和技术的完善，石墨烯生物传感器将会逐渐成熟。