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最小化接触电阻和闪烁噪声以提高生物磁检测灵敏度
出处:材料研究进展  录入日期:2024-06-11  点击数:160

  1研究背景
  在当今生物医学领域,对于高灵敏度的生物磁标记检测技术的需求日益增长,特别是在无标记诊断早期疾病方面。微米级石墨烯霍尔传感器(μGHSs)因其在生理溶液中具有高灵敏度和无需标记的特性,展现出巨大的潜力。然而,这些设备的性能提升受到了闪烁噪声(1/f噪声)的限制,这种噪声主要来源于石墨烯通道内的载流子迁移率波动和石墨烯-金属接触界面的电流拥挤效应(CCE)。为了降低检测限制(LOD),优化频率依赖的闪烁噪声至关重要,但降低接触电阻仍然是一个巨大的挑战。
  2成果简介
  本研究中,研究团队提出了一种表面改性策略,使用持久性碳烯修饰的金电极来降低接触电阻,从而显著减少了μGHS的闪烁噪声。通过这种方法,接触电阻率降低了25倍,闪烁噪声降低了1000倍,达到了3.13 × 10^-14 V²/Hz。同时,磁场的LOD SB 1/2降低到了1440 nT/Hz^1/2(在1 kHz下,100 μA偏置电流)。这一改进是迄今为止通过晶圆级光刻技术制造的可扩展μGHSs中报告的最低SB 1/2。研究还发现,通过将微线圈集成到μGHS中,实现了超顺磁性纳米颗粒(SNPs)的实时检测,检测限(LOD)达到了约528 μg/L,这对于无需标记的磁生物标志物检测,如铁过载相关疾病的早期诊断,具有重要意义。
  3图文导读


QQ截图20240611110841.jpg


  图1 展示了通过光刻技术制造的μGHS的CCE和接触电阻。图中说明了石墨烯-金接触的示意图,以及电流注入过程中的CCE现象。


QQ截图20240611110853.jpg


  图2 展示了通过不同浓度的IPr(1,3-Bis (2,6-diisopropylphenyl) imidazol2-ylidene)处理μGHSs后,接触电阻率和噪声功率谱密度(PSD)的变化。图中显示了IPr处理对μGHS性能的显著影响。


QQ截图20240611110901.jpg


  图3 展示了使用微线圈测量μGHS信噪比(SNR)的实验设置和结果。图中对比了有无IPr处理的μGHS在不同磁场下的霍尔电压信号波动。



QQ截图20240611110908.jpg


  图4 展示了IPr处理对接触电阻率和闪烁噪声降低机制的影响。图中通过KPFM分析,展示了金电极工作函数(WF)的变化。


QQ截图20240611110915.jpg



  图5 展示了使用μGHS实时检测SNPs水溶液分散体的实验设置和结果。图中显示了不同浓度SNPs的霍尔电压信号和检测限的确定。
  4小结
  本研究成功开发了一种通过持久性碳烯修饰金电极的可扩展μGHS,显著降低了接触电阻和闪烁噪声,实现了更低的磁场LOD。这一成果为无需标记的磁生物标志物检测提供了新的途径,尤其是在早期诊断铁过载相关疾病方面具有重要的应用潜力。研究还展示了通过集成微线圈和微流体通道,μGHS能够实现对SNPs的实时检测,进一步证明了其在生物医学检测领域的应用前景。这项工作为开发低噪声、可扩展的微型霍尔探测器铺平了道路,为医学诊断等领域的应用开辟了新的可能性。

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