在生物醫學研究和臨床診斷中，血液等復雜介質中稀有細胞的檢測與分析變得越來越重要。用于血液磁傳感的微型霍爾傳感器已被證明對稀有細胞具有超高的靈敏度。這種靈敏度源于血液的低磁特性，從而避免了繁瑣且有害的樣本制備過程。然而，由于其固有的低通量（<1 mL/h）、易堵塞以及與商用CMOS工藝不兼容等特點，這項技術的臨床應用仍受到一定的限制。

據麥姆斯咨詢報道，為了解決上述難題，美國賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）和香港中文大學（Chinese University of Hong Kong）的研究人員聯合開發了一種可與CMOS工藝兼容的石墨烯霍爾傳感器，將石墨烯霍爾傳感器與聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控平臺集成，可用于血液中的磁傳感。

該石墨烯霍爾傳感器的性能與目前報道的最佳霍爾傳感器相當，可以通過鈍化工藝以穩定地在全血中使用，還可以與微流控和微電子器件集成以實現磁珠的流動檢測。研究人員在硅襯底上演示了該系統的概念驗證，并以磁性瓊脂糖珠作為細胞模型，展示了未來將該石墨烯霍爾傳感器與定制CMOS芯片集成并用于臨床的潛力。相關研究成果已發表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

本研究提出的用于稀有細胞檢測的石墨烯霍爾傳感器

在二維材料家族中，石墨烯由于其相對成熟的晶圓級合成和轉移技術，有望成為制備霍爾傳感器的理想候選材料。此外，石墨烯載流子密度和磁靈敏度可以通過改變相對于石墨烯表面施加在襯底上的背柵電壓來調節，從而提供一種可原位調節傳感器性能的方法。

為了驗證石墨烯作為高靈敏度CMOS工藝兼容磁傳感器材料的有效性，在這項研究工作中，研究人員提出了一種新的制造策略，將石墨烯霍爾傳感器與微電子和微流控組件集成，以檢測復雜生物流體中通過的磁珠。值得一提的是，該策略能夠使石墨烯傳感器在數小時內持續檢測過往磁珠的磁場，并且不對全血等復雜流體環境敏感。

研究人員首先利用化學氣相沉積（CVD）生長石墨烯，將其轉移至硅芯片上，并在霍爾傳感器陣列上光刻圖案。為了保護石墨烯免受生物流體的影響，實現在全血中的長期穩定運行，研究人員使用了一種鈍化層來封裝霍爾傳感器陣列。隨后，利用氧等離子體激活技術將帶有軟光刻定義微流控通道的PDMS芯片與硅芯片對齊，并不可逆地鍵合在一起。

石墨烯霍爾傳感器的制備

這項研究提出的石墨烯霍爾傳感器實現了440 mVT?1的絕對靈敏度，顯著高于硅和其他半導體霍爾傳感器的對應值。該傳感器靈敏面積（SA）比目前報道的最佳的CVD生長石墨烯的SA低，但高于其他鈍化石墨烯傳感器的SA。此外，雖然該傳感器的磁場靈敏度Bmin低于目前最佳的石墨烯或二維電子氣體（2DEG）霍爾傳感器，但它可以與CMOS芯片集成，并通過使用片上鎖定技術接近熱噪聲極限來解決這個問題。該傳感器的最大遷移率為9500 cm2V?1s?1，平均遷移率為4630 cm2V?1s?1，顯著高于半導體霍爾傳感器的遷移率，并且與2DEG霍爾傳感器的中位數相當。值得注意的是，該傳感器的遷移率幾乎是其他CMOS工藝兼容石墨烯和硅基傳感器的5倍，這表明本研究的鈍化工藝更清潔、更穩健。

經驗證，這種集成微流控-微電子系統的石墨烯霍爾傳感器在人體血液中能夠連續、穩定運行39小時。研究人員使用磁性瓊脂糖珠作為檢測生物復雜流體中磁性顆粒的模型系統，表征了該傳感器在牛血清白蛋白（BSA）和全血中的傳感性能。這項研究提出的概念驗證結果為石墨烯霍爾元件通過后期制造融入CMOS集成電路并應用于稀有細胞檢測奠定了基礎。

在血漿中穩定運行的石墨烯霍爾傳感器

復雜介質中石墨烯霍爾傳感器性能的表征

總而言之，這項研究結果表明，采用標準的半導體工藝和設備，在CMOS兼容性的熱限制下（<350°C）進行石墨烯霍爾傳感器的制造和鈍化工藝是可行的。研究結果為實現具有高度并行化程度并能大幅提高樣品通量的CMOS集成石墨烯霍爾傳感器陣列鋪平了道路。

審核編輯：劉清