Применение GFET в биологических и химических сенсорах

Описание

Графеновые полевые транзисторы лежат в основе современных сенсорных технологий. Обладая очень высокой чувствительностью и быстрым временем отклика, они стали важным инструментом в области биологического и химического обнаружения.

Структура и принцип работы графеновых полевых транзисторов

Графеновые полевые транзисторы имеют простую конструкцию. Один слой атомов углерода образует плоский лист графена. Этот лист располагается на подложке. Металлические электроды соприкасаются с графеном, который служит каналом. Когда напряжение подается на электрод затвора, транзистор модулирует ток через графеновый канал.

Сенсор работает по принципу, согласно которому электрические свойства графена меняются, когда молекулы прикрепляются к его поверхности. Связывание биомолекул или химических веществ изменяет проводимость графена. Это изменение измеряется и соотносится с концентрацией целевого аналита. Чувствительность таких датчиков может быть очень высокой. В некоторых случаях они могут обнаруживать молекулы с концентрацией в пикомолярном диапазоне.

Функционализация графена для селективного зондирования

Сам по себе графен обладает высокой чувствительностью, но не селективностью. Чтобы повысить эффективность, на поверхность графена обычно добавляют специфические молекулы. К ним могут быть присоединены белки, антитела или аптамеры. Эти молекулы связывают только целевое вещество. Например, антитело может прикрепляться к определенному вирусу или белку. Для обнаружения летучих соединений могут быть добавлены химические группы.

Обработка поверхности может осуществляться различными способами. Обычно используются простые ковалентные связи или нековалентные взаимодействия. Выбор метода зависит от целевого аналита и желаемой производительности датчика. Этот процесс функционализации дает сенсору возможность отделить одну молекулу от многих других.

Применение биологических сенсоров

Графеновые полевые транзисторы используются во многих областях биологического зондирования. Например, они помогают обнаруживать белки, свидетельствующие о заболеваниях. В медицине датчики используются для контроля уровня глюкозы. Это очень важно при лечении диабета. Устройства также работают для обнаружения ДНК и РНК. В некоторых случаях они позволяют проводить анализ на уровне одной молекулы.

Время отклика этих датчиков может быть очень коротким. Было показано, что они реагируют в течение нескольких секунд. Устройства были успешно протестированы в лабораторных условиях, часто с использованием буферных растворов, имитирующих жидкости организма. Небольшой размер позволяет легко создавать портативные устройства, используемые в пунктах оказания медицинской помощи. Это важно как в клинических, так и в удаленных условиях.

Применение химических сенсоров

Графеновые полевые транзисторы не ограничиваются биологическими приложениями. Они также очень полезны в химическом зондировании. Они могут обнаруживать такие газы, как аммиак, диоксид азота или летучие органические соединения. Специфическая функционализация поверхности помогает отличить одно химическое вещество от другого.

В экологическом мониторинге эти датчики предлагают удобный способ проверки качества воздуха и воды. Например, датчики используются для измерения уровня газа в промышленных зонах. Они дают быстрые показания, которые помогают принять меры при обнаружении вредного воздействия. Высокая чувствительность делает их ценным инструментом для обеспечения безопасности в различных химических процессах.

Заключение

Графеновые полевые транзисторы имеют большое будущее как в области биологических, так и химических сенсоров. Простая структура и высокая чувствительность делают их очень привлекательными для перспективных приложений.

Часто задаваемые вопросы

F: Какова основная функция датчиков на графеновых полевых транзисторах?
В: Они изменяют электрические свойства, когда молекулы прикрепляются к графену, что позволяет обнаруживать специфические биологические или химические вещества.

F: Как эти датчики используются в медицине?
В: Они используются для обнаружения биомаркеров, белков и ДНК, что крайне важно для диагностики и мониторинга заболеваний.

F: Могут ли эти датчики отслеживать химические вещества в окружающей среде?
В: Да, они измеряют различные газы и химические вещества, что важно для контроля загрязнения и безопасности.