石墨烯基场效应晶体管（GFET）传感器阵列的晶圆级纳米制造和功能化。一种原理图纳米制造策略，使用阻抗测量进行器件预选（故障诊断），以小化器件变化，以实现近乎理想的响应模式。测试/分析程序的每个步骤都示意性地显示（i-v），并在插图中附有相应的描述。b 将氧化石墨烯（GO）分散液旋涂到整个晶圆基板上，用于沉积图案电极。照片显示了切割后的晶圆尺寸传感器器件和表面有一滴测试溶液的单个器件。c 基于rGO的FET传感器器件的纳米制造步骤包括通过电子束光刻进行电极沉积，SiO的沉积2使用电子束光刻、3 nm 原子层沉积 （ALD） 衍生的 Al 在电极上的保护层2O3作为顶部栅极氧化物，溅射金纳米颗粒（NPs）作为探针的锚定位点，并实现探针功能化。d 传感器1-3使用特定生化和抗体探针进行探针功能化的示意图步骤。自然通讯 （2023）。DOI： 10.1038/s41467-023-39701-0

全球存在水危机，这不仅仅是关于清洁水供应的减少。受污染的饮用水使全世界数亿人暴露于毒素，如细菌、重金属、杀虫剂和冠状病毒。这种污染危及公众健康，并可能导致严重疾病。

来自美国能源部阿贡国家实验室的一组研究人员，以及芝加哥大学普利兹克分子工程学院和威斯康星大学密尔沃基分校，已经设计了一种大规模制造能够同时检测铅，汞和大肠杆菌的传感器的途径。在流动的自来水中。该团队的创新有望通过提供污染预警来帮助保护公众健康。

“传统上，设计用于测量水中污染物的传感器存在可靠性问题，无法检测到故障设备，”与芝加哥大学普利兹克分子工程联合任命的阿贡科学家Haihui Pu说。“改进的传感器可以避免健康危机。

这些传感器的核心是一层纳米厚的碳和氧原子，石墨烯的一种形式，涂覆在硅衬底上。这种石墨烯材料的作用与计算机芯片中的半导体类似。然后将金电极印在石墨烯表面上，然后是纳米厚的氧化铝绝缘层。每个传感器都经过定制，可检测三种毒素中的一种：铅、汞或大肠杆菌。

大规模制造这些传感器的主要挑战之一是评估其质量。在超薄绝缘层中会形成不需要的孔隙率的微小区域。这种孔隙率允许来自底部石墨烯层的电子逃逸到顶部绝缘层中。这种泄漏会影响其作为绝缘体的有效性，并导致传感器响应不可靠。

该团队最近在Nature Communications上发表的文章描述了一种在大规模生产之前识别有缺陷设备的筛选方法。该方法涉及测量传感器浸没在水中时绝缘层的电响应。关键是屏蔽不会损坏传感器。通过采用这种技术，该团队确定了绝缘层中的结构缺陷。然后，他们能够建立标准来轻松检测故障设备。

为了证明他们方法的有效性，研究小组评估了一个三传感器阵列，能够同时检测流动自来水中的铅，汞和大肠杆菌。使用机器学习算法来分析结果，他们能够将毒素水平量化到十亿分之一，即使在存在干扰元素的情况下也是如此。

“传感器的美妙之处在于，你可以将它们应用于任何形式的水中，而不仅仅是自来水，”阿贡水策略师、普利兹克分子工程学院皇冠家族教授Junhong Chen说。“更重要的是，你可以组合三个、三十个或三百个传感器，每个传感器都经过定制，以检测不同的成分。

这些不仅包括重金属和细菌，还包括药品、杀虫剂、冠状病毒和水中的常见污染物、全氟和多氟烷基物质。它们还可能包括关键资源，例如用于电池的钴以及作为植物和动物营养物质的氮和磷。

一旦识别并去除有问题或有价值的元素，传感器可用于评估处理水的清洁度。研究结果可以指导水的安全再利用，包括饮用水使用、农业和灌溉、地下水补充和工业过程。

Chen表示希望通过他创立的一家初创公司将这项技术商业化。“但水污染构成了一个全球健康问题，需要共同努力，”他说。

该团队的筛选方法为监测水质和优化其安全再利用提供了一种多功能工具。随着科学家解决这一关键问题，他们的努力成为更健康、更可持续的未来的希望灯塔。