單層、電子級石墨烯在許多關鍵領域推動了先進的生物感測技術。在 Google 上搜索“graphene biosensor（石墨烯生物感測器）”這一搜索詞，人們將看到成千上萬的下一代、改善生活的應用在世界各地的研究實驗室中得到完善。這種單原子層厚的材料正在創造具有前所未有的速度和靈敏度的生物感測和檢測效能。癌症和病毒檢測、新藥發現、基因組學、過敏原、葡萄糖等領域正開始取得難以想象的進展。到目前為止，單層石墨烯薄膜的首要用途是原子級生物感測。
從上到下：1）可降解氣泡包裝的石墨烯生物感測器，2）用於診斷的微流體管道、多路複用的塑膠石墨烯病毒感測器晶片，3）通用的“塑膠”石墨烯生物感測器片，相容96孔板格式，可透過自動化進行高通量研究。
原因很容易理解：結合材料的單原子厚度尺寸、無與倫比的導電性、生物相容性、強度和透明度，很難在元素週期表上找到一種更合適的材料來提供生物反饋。單層石墨烯的來源也在不斷增加，現在可以透過網站購物在網際網路上廉價購買這種材料。因此，我們現在看到許多關鍵生命科學和診斷領域的商業化和規模化。
這種材料正在成熟，因為現在有許多非常有能力的基於石墨烯的生物感測器裝置的商業設計者。從網站和其他公開資訊中，我們可以發現：Cardea Bio，在基因組學和“Crispr-chip”等領域“連線生物學和電子學”；Hexagon Fab，用於藥物發現的“蛋白質和小分子檢測”；Hememics，用於即時病毒診斷；GRIP Molecular，用於家庭病毒檢測；Nanomed，用於“小分子研究”；GraphWear，用於汗液中的葡萄糖檢測，以及Graphene Dx正在藥物濫用物質測試、過敏原等領域“改變消費者診斷”。
幾乎所有這些開創性的石墨烯生物感測器公司都有一個共同點，那就是在矽製造環境中，在矽晶片上製造裝置。這是可以理解的，因為矽製造裝置（或“晶圓廠”）是人們可以找到製造奈米級裝置的基本工具的地方；圖案化、沉積和蝕刻在矽晶圓廠中都是可用的並且很容易被理解。
然而，這是一個來製作一個裝置非常昂貴的地方。這些公司的一個典型製造成本為每個晶片 15 至 20 美元。再加上必須安裝一塊矽片的特殊和限制性封裝，生物感測器晶片和它今天所處的昂貴封裝的總費用可能在 25 美元到 40 美元甚至更多。
一個相關的問題：這些裝置的特徵和幾何形狀是否要求它們在矽片上製造？
今天，答案是否定的。從公開資訊和專利申請中可以看出，與大多數計算機晶片相比，這些裝置中的大多數具有相當大的幾何尺寸，因此它們相對容易製造。石墨烯生物感測器沒有小到需要在矽晶圓廠中製造的特徵。此外，另一種公開資訊顯示，大多數裝置不使用矽作為裝置功能的任何部分。石墨烯感測器只是位於矽晶片的頂部，基本上使用矽作為加工襯底。
因此，人們不禁要問，這些裝置必須在矽材料上製造嗎？
在矽片上製造基於石墨烯的生物感測器的另一個問題是：任何在矽片上處理過單層石墨烯的人都知道這是非常具有挑戰性的；石墨烯不喜歡出現在矽上。結合表面能問題、疏水性、轉移帶來的機械應變和其他挑戰，目前石墨烯和矽結合的前景是低產量和昂貴的挑戰。總部位於美國的Grolltex等公司已經從事這項工作多年，它們可以證明將石墨烯和矽結合在一起的困難。劇透警告：目前沒有商業晶圓廠提供石墨烯內部加工是有原因的。
因此，考慮到這一切，人們可能會認為，先進的矽上石墨烯診斷領域可能需要幾十年才能解決所有這些實用性、成本和封裝問題，並以任何有意義的方式真正最佳化基於石墨烯的生物裝置並從中受益。好吧，它不必如此。事實證明，這些裝置可以用塑膠製成。
對於我們這些不是專家的人來說，塑膠領域在生產具有強度、柔韌性、熱韌性、可回收性和易於生物降解等特性的各種材料選擇方面取得了長足的進步。除此之外，製造的靈活性、成本效益（在某些情況下接近100倍）、利於製造（例如在卷對卷模式中），以及擁有數十年曆史的知識庫，用塑膠製造這些裝置的吸引力立刻變得顯而易見。順便說一下，這種演化並不新鮮。隨著矽基裝置的發展，成熟的矽基裝置設計轉變為“塑膠”並不罕見，只要有可能，就會這樣做。柔性PCB板的世界也使許多應用發生了革命性的變化。
一些石墨烯生產商，如Grolltex，已經開始將基於矽的石墨烯生物感測器轉換為“塑膠”設計。一些關鍵的應用，如葡萄糖、蛋白質結合相互作用（用於藥物發現和其他應用）和分子（例如檢測病毒的DNA），已經被證明適用於塑膠，而且沒有明顯的理由表明許多其他應用不能效仿。與矽材料相比，塑膠材料的製造不僅可以節省成本，還可以實現包裝和形狀要素的靈活性，使許多以前不可能實現的新應用得以實現。
一個現實生活中的例子很好地說明了這一點：一位種樹的農民想用一種先進的石墨烯生物感測器來測試田野裡他的樹木的健康狀況，尋找導致一些果樹和堅果樹“葉子捲曲”的真菌。當時可用的石墨烯感測器是單一用途的，是安裝在拇指驅動器式封裝中的矽晶片。這種石墨烯生物感測器裝置不僅每次測量花費50美元（使用一次就扔掉）而且農民必須在田間攜帶一臺主機裝置，如膝上型電腦，以便在每次讀取時插入拇指驅動器。
相反，對於這種應用，我們討論了一種塑膠“氣泡包裝”（類似於阿司匹林或其他藥丸包裝）石墨烯生物感測器。在這裡，農民可以撕下一個氣泡包感測器（上圖第一張），花費大約37美分，用手持閱讀器獲取資料。如果農民不小心掉了一個在地裡，用過的氣泡包就會被生物降解。
有了這些在塑膠上製成的感測器，透過一種卷對卷的模式，使用者友好的形狀因子設計的型別幾乎是無限的。
單層石墨烯的先進生物感測技術已經問世，並正在為人類健康領域帶來革命性的機遇，比如Crispr-chip和癌症研究，這些領域剛剛變得清晰起來。在診斷的許多重要領域中，很容易獲得的已發表的文獻是引人注目的，在可能性方面幾乎是壓倒性的。早期的石墨烯生物感測器公司在之前討論過的領域迅速發展，甚至大型華爾街對沖基金和私人股本集團也開始投資。採用的障礙與我們看到的其他突破性技術有許多相似之處：成本、易用性、靈活性和可持續性。隨著石墨烯生物感測技術從矽晶片向塑膠的轉變，這一人類進步的關鍵領域現在有了一個更加開放的跑道。
本文來源 | graphene-info
編譯 | Carbontech
