Рис. 1 Графен, полученный методом быстрого роста на диэлектрической подложке с использованием безметаллического катализатора, позволил создать высокопроизводительные биосенсорные чипы с высоким выходом (4‑дюймовые пластины, 328/384)

Графен, будучи двумерным материалом, привлекает особое внимание своими выдающимися электрическими свойствами. Однако, поскольку все его атомы находятся на поверхности и чрезвычайно чувствительны к изменениям внешней среды, на основе этих характеристик уже успешно разработаны графеновые эффект‑Холла датчики, которые применяются в таких высокотехнологичных областях, как авиация и космонавтика, а также квантовые вычисления. В то же время графеновые биосенсоры, обладающие потенциалом для точной и оперативной диагностики, пока находятся на стадии исследований и разработок; например, в начале вспышки пандемии COVID‑19 в 2020 году одна из исследовательских групп с помощью этой технологии смогла осуществить быстрое распознавание рецептор‑связывающего домена спайкового белка вируса SARS‑CoV‑2 (arXiv:2003.12529).

Однако существующие распространённые методы мокрого трансфера плохо совместимы с полупроводниковыми технологиями: используемые органические подложки и металлические травители легко приводят к остаточному химическому загрязнению, что ограничивает выход и чувствительность биосенсорных устройств на основе графена. Прямой рост двумерных материалов на изоляционных или полупроводниковых диэлектрических подложках без использования металлических катализаторов обещает решить эту проблему.

Дальнейшая разработка биосенсора продемонстрировала сверхчувствительные характеристики в условиях лабораторных испытаний: он способен обнаруживать антиген нуклеокапсидного белка (N‑белка) вируса SARS‑CoV‑2 в субфемтомолярных концентрациях, что соответствует пределу обнаружения (LOD), достигнутому высококачественными графеновыми биосенсорами на основе мокрого трансфера. Анализ спектра шумов показал, что благодаря оптимизации структуры и площади устройства PECVD‑графен обладает достаточно высокими шумовыми характеристиками, тогда как его LOD в основном ограничивается дрейфом сенсора. Долгое время считалось, что ухудшение электрических свойств графена, обусловленное дефектами, возникающими при прямом росте, приводит к неидеальным сенсорным характеристикам; полученные результаты прояснили эту проблему.

В данном исследовании в качестве контрольных образцов были выбраны три белка, связанные с вирусом SARS‑CoV‑2: человеческий ангиотензинпревращающий фермент‑2 (ACE‑2), спайковый белок S1 и антитела к спайковому белку S1 (S1Ab); полученные данные свидетельствуют о высокой специфичности разработанного GFET‑датчика. Для оценки клинических характеристик предложенного GFET‑датчика образцы мазков из зева пациентов с COVID‑19 (до разведения значения CT‑показателей генов ORF1ab и N при ПЦР‑анализе составляли 29,054 и 28,740 соответственно) и образцы здоровых лиц, используемые в качестве контроля, были последовательно разведены в 10‑кратном (0,1×, pH = 7,55) и 100‑кратном (0,01×, pH = 7,24) соотношениях; после добавления этих образцов в GFET‑биосенсор удалось получить сигналы, достаточные для их надёжной идентификации, без предварительной маркировки или амплификации. Полученные результаты подтверждают целесообразность использования графена, непосредственно и равномерно выращенного методом PECVD на подложке из пластины, для создания биосенсорных чипов с высоким выходом и высокой чувствительностью.

Система плазменного химического осаждения из газовой фазы с индуктивно‑связанной плазмой (PECVD) многофункционального назначения, разработанная компанией «ZEPTOOLS» собственными силами. Это основная технология получения высокочистых твёрдых плёнок с высокими эксплуатационными характеристиками; она в основном использует микроволновое или радиочастотное воздействие для ионизации целевого газа, что способствует протеканию химических реакций при относительно низких температурах и, таким образом, обеспечивает осаждение на подложке требуемой плёнки. Данное оборудование позволяет непосредственно выращивать на различных подложках — таких как металлы, оксиды и поверхности полупроводников — различные новые двумерные материалы, в том числе графен, что применяется для разработки новых материалов и устройств. Технологический процесс прост и недорог, а также совместим с традиционными методами роста полупроводниковых структур.