石墨烯基場效應晶體管（GFET）傳感器陣列的晶圓級納米制造和功能化。一種原理圖納米制造策略，使用阻抗測量進行器件預選（故障診斷），以小化器件變化，以實現近乎理想的響應模式。測試/分析程序的每個步驟都示意性地顯示（i-v），并在插圖中附有相應的描述。b 將氧化石墨烯（GO）分散液旋涂到整個晶圓基板上，用于沉積圖案電極。照片顯示了切割后的晶圓尺寸傳感器器件和表面有一滴測試溶液的單個器件。c 基于rGO的FET傳感器器件的納米制造步驟包括通過電子束光刻進行電極沉積，SiO的沉積2使用電子束光刻、3 nm 原子層沉積 （ALD） 衍生的 Al 在電極上的保護層2O3作為頂部柵極氧化物，濺射金納米顆粒（NPs）作為探針的錨定位點，并實現探針功能化。d 傳感器1-3使用特定生化和抗體探針進行探針功能化的示意圖步驟。自然通訊 （2023）。DOI： 10.1038/s41467-023-39701-0

全球存在水危機，這不僅僅是關于清潔水供應的減少。受污染的飲用水使全世界數億人暴露于毒素，如細菌、重金屬、殺蟲劑和冠狀病毒。這種污染危及公眾健康，并可能導致嚴重疾病。

來自美國能源部阿貢國家實驗室的一組研究人員，以及芝加哥大學普利茲克分子工程學院和威斯康星大學密爾沃基分校，已經設計了一種大規(guī)模制造能夠同時檢測鉛，汞和大腸桿菌的傳感器的途徑。在流動的自來水中。該團隊的創(chuàng)新有望通過提供污染預警來幫助保護公眾健康。

“傳統(tǒng)上，設計用于測量水中污染物的傳感器存在可靠性問題，無法檢測到故障設備，”與芝加哥大學普利茲克分子工程聯合任命的阿貢科學家Haihui Pu說�！案倪M的傳感器可以避免健康危機。

這些傳感器的核心是一層納米厚的碳和氧原子，石墨烯的一種形式，涂覆在硅襯底上。這種石墨烯材料的作用與計算機芯片中的半導體類似。然后將金電極印在石墨烯表面上，然后是納米厚的氧化鋁絕緣層。每個傳感器都經過定制，可檢測三種毒素中的一種：鉛、汞或大腸桿菌。

大規(guī)模制造這些傳感器的主要挑戰(zhàn)之一是評估其質量。在超薄絕緣層中會形成不需要的孔隙率的微小區(qū)域。這種孔隙率允許來自底部石墨烯層的電子逃逸到頂部絕緣層中。這種泄漏會影響其作為絕緣體的有效性，并導致傳感器響應不可靠。

該團隊最近在Nature Communications上發(fā)表的文章描述了一種在大規(guī)模生產之前識別有缺陷設備的篩選方法。該方法涉及測量傳感器浸沒在水中時絕緣層的電響應。關鍵是屏蔽不會損壞傳感器。通過采用這種技術，該團隊確定了絕緣層中的結構缺陷。然后，他們能夠建立標準來輕松檢測故障設備。

為了證明他們方法的有效性，研究小組評估了一個三傳感器陣列，能夠同時檢測流動自來水中的鉛，汞和大腸桿菌。使用機器學習算法來分析結果，他們能夠將毒素水平量化到十億分之一，即使在存在干擾元素的情況下也是如此。

“傳感器的美妙之處在于，你可以將它們應用于任何形式的水中，而不僅僅是自來水，”阿貢水策略師、普利茲克分子工程學院皇冠家族教授Junhong Chen說。“更重要的是，你可以組合三個、三十個或三百個傳感器，每個傳感器都經過定制，以檢測不同的成分。

這些不僅包括重金屬和細菌，還包括藥品、殺蟲劑、冠狀病毒和水中的常見污染物、全氟和多氟烷基物質。它們還可能包括關鍵資源，例如用于電池的鈷以及作為植物和動物營養(yǎng)物質的氮和磷。

一旦識別并去除有問題或有價值的元素，傳感器可用于評估處理水的清潔度。研究結果可以指導水的安全再利用，包括飲用水使用、農業(yè)和灌溉、地下水補充和工業(yè)過程。

Chen表示希望通過他創(chuàng)立的一家初創(chuàng)公司將這項技術商業(yè)化。“但水污染構成了一個全球健康問題，需要共同努力，”他說。

該團隊的篩選方法為監(jiān)測水質和優(yōu)化其安全再利用提供了一種多功能工具。隨著科學家解決這一關鍵問題，他們的努力成為更健康、更可持續(xù)的未來的希望燈塔。