用石墨烯“照明棒”增强生物传感器响应——Steven Koester 教授的演讲

2022 年 10 月 11 日，明尼苏达大学的 Steven Koester 教授在第 31 届亚琛石墨烯中心研讨会上展示了他的团队在石墨烯基生物传感器方面的一些最新成果。

Koester 教授是明尼苏达大学纳米技术 Russell J. Penrose 教授，也是明尼苏达纳米中心主任。他目前正在亚琛工业大学休假，并获得西奥多·冯·卡门奖学金。

标题：利用石墨烯“照明棒”增强生物传感器响应

摘要：石墨烯场效应晶体管 (GFET) 传感器已成为检测临床生物标志物（例如 DNA、RNA、蛋白质和抗体）的有前途的平台 [1]。因此，石墨烯有兴趣创建一种新型低成本、按需诊断系统。为了在这些应用中具有竞争力，GFET 传感器必须提供目标特异性、具有高灵敏度，并在短时间内获得结果。虽然使用适当的表面功能化可以轻松实现灵敏度和特异性，但快速读数仍然是一个挑战。

在本次演讲中，我将展示如何使用介电泳 (DEP) 作为一种有效技术来创建具有超快响应的石墨烯 GFET 传感器。DEP 是一种可以将中性但可极化的粒子吸引到存在大电场梯度的位置的技术 [2]。由于其原子级厚度，石墨烯可以在其边缘产生巨大的电场梯度，有效地充当纳米级“避雷针”[3]。当施加交流偏压时，同样的效应可以通过 DEP 效应选择性地吸引可极化中性粒子。在这里，我将描述 DEP 捕获的理论，并展示如何在石墨烯边缘以极低的电压捕获各种纳米粒子 [3]。我还将展示最新的结果，通过这些结果可以电检测石墨烯边缘处的捕获粒子，并描述几种增强 DEP GFET 器件灵敏度的策略 [4]。最后，我将讨论实现全功能 DEP 增强型 GFET 生物传感器的未来挑战。

作为本次演讲的一部分，我还将介绍明尼苏达大学 (UMN) 的明尼苏达纳米中心，该大学是美国学生人数最多的大学之一，该中心是纳米级制造创新的主要推动者。美国中西部北部，以及UMN Koester NanoDevice Group 的其他二维材料研究。

[1] I. Prattis, E. Hui, P. Gubeljak, G. S. Kaminski Schierle, A. Lombardo, and L. G. Occhipinti, “Graphene for biosensing applications in point-of-care testing,” Trends in Biotechnology 39, 1065-1077 (2021).

[2] A. H. Pohl, Dielectrophoresis. Cambridge University, 1978.

[3] A. Barik, Y. Zhang, R. Grassi, B. P. Nadappuram, J. B. Edel, T. Low, S. J. Koester, and S.-H. Oh, “Graphene-edge dielectrophoretic tweezers for trapping of biomolecules,” Nat. Commun. 8, 1867 (2017).

[4] N. Izquierdo, R. Li, S.-H. Oh, and S. J. Koester, “Demanding more from graphene-based sensors: design and development of multi-functional GFET with dielectrophoresis enhanced sensing capabilities,” to be presented at the 2022 Fall MRS Meeting, Boston, MA, USA, Nov. 27 – Dec. 2, 2022.

演讲者简介：Steven J. Koester 是明尼苏达大学纳米技术 Russell J. Penrose 教授，也是明尼苏达纳米中心主任。他获得了博士学位。1995年从加州大学圣塔芭芭拉分校获得博士学位。1997 年至 2010 年，他是 IBM TJ Watson 研究中心的研究人员，对各种电子和光电器件进行了研究，重点是那些利用 Si/SiGe 材料系统的器件。2006 年至 2010 年，他担任 IBM 研究中心探索技术经理，他的团队研究了先进器件和集成概念，以用于未来几代 CMOS 技术。自 2010 年以来，Koester 博士一直担任明尼苏达大学电气与计算机工程教授，他的研究重点是新型电子、光子、自旋电子和传感设备概念，重点是石墨烯和其他二维材料。Koester 博士撰写或合着了 300 多篇技术出版物和会议演讲、7 卷书、4 个书籍章节，并拥有 73 项美国专利。他是 IEEE 和 Optica 院士。