从电阻变化到复阻抗：石墨烯场效应晶体管构建互补阻抗生物传感方法

石墨烯场效应晶体管能够把分子结合转化为电信号，但实际检测中，直流电阻或电导并不总是容易解释。电荷俘获会造成滞后，基线也可能随时间漂移；目标分子吸附后引起的载流子散射，还可能把真正的识别信号埋在低频噪声里。传统电化学阻抗谱能够观察界面电阻和电容变化，却通常需要专门设备，并且对实验条件和校准要求较高。

本研究把两种思路接在一起：在石墨烯液栅场效应晶体管上覆盖生物活性功能层，用低频交流偏置测量石墨烯本身的复阻抗。交流信号写成 X+iY，其中 X 反映电阻相关变化，Y 反映电抗相关变化。研究者进一步提出 Y/X² 这一指标，用来减少电阻分量对电容读数的干扰。低频下，该指标与石墨烯量子电容、电双层电容和功能层电容串联形成的有效电容相关，因此可以把抗体-抗原结合带来的界面变化转化为更清晰的电学响应。

图1. 石墨烯液栅场效应晶体管的制备流程。（a）石墨烯从铜箔转移至 EVA/PET 基底的流程；（b）功能化过程；（c）电学测量装置。

从工作机理看，分析物结合后可能同时改变石墨烯载流子密度、电双层离子分布以及功能层的局部介电环境。对应地，X 的变化可以反映电荷转移或通道电阻改变，Y 的变化则包含有效电容的调整。在实验中，Y 的变化比 X 更明显，说明这套传感器的响应具有较强的电容成分。与 X 或 Y 单独随栅压变化的非线性曲线相比，Y/X² 在较宽栅压范围内更加平坦，因而更适合用作比较不同工作点的读数。

图2. 分布式 Randles 电路的集总元件表示。虚线划出的单元为用于解析分析的单个电路单元。

时间序列测量进一步显示了这一指标的价值。直接观察 X 时，基线会出现明显漂移，加入不同浓度分析物后，响应变化并不容易从漂移背景中分辨出来；Y/X² 的基线则稳定得多，信噪比也更高，对栅压工作点的依赖较小。换句话说，Y/X² 并不是简单增加一个计算量，而是把原本混在电阻和电容变化中的信息重新组织起来，使生物分子结合后的界面变化更容易被识别。

图3. 栅压依赖性与分析物检测。（a）PSA 抗体功能化 GFET 的转移曲线，以及在 −0.05 V 和 −0.2 V 栅压下对应的（b）时间序列测量结果。转移曲线中的检测前后状态分别对应（b）中的 0 s 和 1000 s；红色箭头表示检测池中分析物浓度改变的时刻。

选择性实验使用 PSA 作为目标蛋白，BSA 作为非目标对照。功能化 GFET 对 PSA 给出了清楚响应，而加入 BSA 时变化很小；未修饰石墨烯器件也会出现轻微变化，但幅度明显低于带 PSA 抗体的器件。这说明部分非特异性吸附仍可能存在，不过主要电信号来自目标蛋白与识别层之间的结合。该结果支持功能层在阻抗读数中的作用，也表明仅依赖裸石墨烯表面并不足以完成稳定的分子识别。

灵敏度测试从 50 pg/mL PSA 开始。该浓度约为 1.6 pM，传感器仍能观察到具有较高信噪比的响应。作为参照，论文提到临床上常用的 PSA 异常判断范围通常在 ng/mL 级别，但本研究的实验结果不能直接等同于临床诊断性能。它首先说明，在当前器件、抗体功能层和低离子强度缓冲体系下，交流阻抗读数能够分辨很低浓度的目标蛋白变化；样品基质、抗体批次和临床判定流程仍需要单独验证。

图4. 检测选择性和灵敏度。（a）PSA 抗体功能化 GFET 对目标分析物 PSA（黑线）和非目标分析物 BSA（蓝线）的选择性响应，同时显示未功能化 GFET 对 PSA 的响应（红线）；（b）PSA 抗体功能化 GFET 对不同浓度 PSA 的实时响应，插图为 50 pg/mL 浓度下的信噪比。红色箭头表示检测池中分析物浓度改变的时刻。

频率改变后，Y/X² 对相同浓度分析物的响应会增强，但这种增强并不是无限延续。实验观察到，随着频率升高，Y/X² 的变化加大；X 的变化方向在较高频率下还可能反转，Y 则在约 375 Hz 以后先增强再减弱。研究者认为，这与电解质-石墨烯界面的非理想电容行为有关。当频率升高到简化模型不再适用的范围，Y/X² 会重新受到电阻变化影响，因此该指标最有用的频率窗口仍需结合器件参数和界面状态确定。

在 1000 Hz 下，传感器对 PSA 仍保持较强选择性，对 BSA 的响应接近于零。将同一器件的 Y/X² 交流读数与传统直流石墨烯电阻读数进行比较时，交流锁相测量能够分辨出直流方法难以观察的细微分子结合信号。较高的频率响应和锁相放大带来的噪声抑制，是这套方法优于单纯电阻监测的主要原因。

从器件实现角度看，这套方法并不要求把完整的传统电化学阻抗谱系统搬到传感芯片上，低频交流测量和锁相放大器就可以完成主要读出。这样有利于缩小传感器尺寸，也减少了对复杂电解质变化的依赖。不过，器件响应仍会受到功能层构成、石墨烯片电阻和工作频率的共同影响，后续需要建立更明确的校准方式，才能比较不同器件和不同批次之间的结果。

图5. 时间序列响应的频率依赖性。（a）PSA 抗体功能化 GFET 在不同频率下对不同浓度 PSA 的时间序列响应（栅压为 0.2 V）；（b）1000 Hz 下对目标分析物 PSA 和非目标分析物 BSA 的标准化 Y/X² 响应；（c）目标 PSA 分析物作用下标准化直流电阻变化（ΔR/R0）与标准化 Y/X² 响应的比较（栅压为 0.2 V）。红色箭头表示检测池中分析物浓度改变的时刻。

本研究的关键贡献不是把石墨烯换成另一种材料，而是改变了读出方式：通过在导电薄膜上布置可发生特异结合的功能层，用复阻抗同时观察电阻和电容相关变化，再用 Y/X² 提取更稳定的界面信息。需要明确的是，当前验证是在低离子强度条件下完成的，此时较长的 Debye 长度有利于分子结合信号传递。对于生理样品或其他高离子强度环境，屏蔽效应可能削弱信号，现有结果还不能直接推广。后续工作需要在更接近实际样品的介质中评估信号传递、稳定性和跨平台一致性。

论文来源：https://doi.org/10.1016/j.bios.2026.118679