在精准医疗与即时诊断技术快速发展的今天，传统光学与电化学传感器在灵敏度、稳定性及多重检测能力方面面临严峻挑战。近日，一项发表于《National Science Review》的研究成果“Ultrasensitive optoelectronic biosensor arrays based on twisted bilayer graphene superlattice”通过融合前沿二维材料与纳米光子技术，开发出了一种新型超灵敏光电子生物传感器，该传感器利用扭转双层石墨烯（tBLG）的超晶格特性与等离激元共振效应，实现了无需核酸扩增的阿摩尔级生物分子检测。
二维材料创新：魔角工程调控光电特性
该传感器的核心突破在于利用扭角工程精确操控二维材料——扭转双层石墨石墨烯（tBLG）的能带结构。通过将两层石墨烯以特定角度（9.4°）旋转堆叠，形成摩尔超晶格结构，研究人员成功激发了范霍夫奇点（VHS）现象，在1.84 eV能量处产生显著的光吸收增强峰。
光子学机制：激子-等离激元协同增强
研究团队通过光子学设计，将tBLG的VHS吸收谱与金纳米盘的等离激元共振波长精确匹配，实现了高效的光子-物质相互作用。当660 nm激光照射时，其光子能量与9.4°tBLG的VHS能量高度匹配，产生显著的共振增强效应。
这种激子-等离激元耦合机制使传感器在仅60 μW的低光强照射下，获得了14.64 mA/W的创纪录光响应度，比本征tBLG提高了6.27倍，外量子效率达到27.51%。时间分辨光谱分析显示，Au-tBLG异质结的载流子弛豫时间缩短至371 fs，比纯tBLG快3倍，表明纳米结构有效促进了高能耦合极化激元的产生和衰减。
传感器结构与工作流程
该光子生物传感器采用多层异质结构设计，从下至上包括：tBLG超晶格层、金纳米盘阵列、DNA折纸支架和金纳米颗粒。其中，tBLG作为光电转换介质，金纳米盘提供等离激元共振增强，DNA折纸结构则确保功能元件在三维空间中的精确定位。
传感器工作时，激光照射金纳米盘/tBLG界面激发等离激元共振，产生的光电流信号被实时监测。当靶标分子存在时，CRISPR-Cas12a系统被激活，切割DNA连接链并释放金纳米颗粒，导致局部介电环境改变和光电流信号恢复，从而实现超高灵敏度检测。
卓越性能与应用前景
该传感器在生物检测方面展现出突破性性能，对肺癌标志物miRNA-21的检测灵敏度达到44.63 aM，动态范围跨越5个数量级，且完全无需核酸扩增步骤。临床样本验证显示，30例肺癌组织检测结果与qPCR高度吻合，并具备单碱基分辨率能力。
该技术平台的核心优势在于将扭角可调的二维材料电子特性与纳米光子学效应结合，通过摩尔工程和等离激元共振的协同作用，实现了光-物质相互作用的极大增强。未来，通过调整石墨烯扭转角度，可定制化设计不同生物标志物的检测窗口，有望拓展至阿尔茨海默症早期诊断、病原体快速筛查等多个领域。
这项研究推动了二维材料在光电子学中的应用边界。
本研究由张晗教授团队（深圳大学物理与光电学院）、陈实教授团队（深圳大学第一附属医院/深圳市转化研究院）及魏松瑞助理教授（深圳大学物理与光电学院）共同完成，论文共同第一作者是深圳大学的杜博文助理教授, 田曦麟博士。
文章链接
Ultrasensitive optoelectronic biosensor arrays based on twisted bilayer graphene superlattice
Bowen Du, Xilin Tian, Zhi Chen, Yanqi Ge, Chuanghu Chen, Haiyan Gao, Zhongyang Liu, Jungchen Tung, Dror Fixler, Songrui Wei, Shi Chen, Han Zhang；
National Science Review, nwaf3577
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf357
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