賓夕法尼亞州立大學(xué)帕克分校：研發(fā)AI輔助下的石墨烯基化學(xué)傳感器

化學(xué)傳感器能夠收集與液體化學(xué)成分相關(guān)的信息，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，其在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健診斷和工業(yè)過程控制中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在化學(xué)傳感器中，離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFETs）因其出色的靈敏度與高度可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)相結(jié)合而成為一項(xiàng)頗具前景的技術(shù)。石墨烯的高遷移率和獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)使其成為ISFETs的理想材料，基于石墨烯的ISFETs具有革命性的變化，可廣泛用作商業(yè)化學(xué)傳感器，改變傳統(tǒng)傳感器領(lǐng)域。

02【創(chuàng)新成果】

近日，賓夕法尼亞州立大學(xué)帕克分校的Saptarshi Das教授創(chuàng)新的將石墨烯基ISFET技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，通過這種方法顯著提升了化學(xué)傳感的性能，不僅解決了ISFET在實(shí)際應(yīng)用中面臨的循環(huán)間、傳感器間及芯片間差異等挑戰(zhàn)，還能高精度地檢測pH值、食品摻假及有害污染物濃度，且單一的傳感器設(shè)計(jì)可在多種應(yīng)用場景中使用，無需重新校準(zhǔn)或模型再訓(xùn)練，為化學(xué)傳感應(yīng)用提供了一個成本效益高的平臺，并創(chuàng)新性地應(yīng)用于食品行業(yè)，實(shí)現(xiàn)了對食品摻假及食品安全問題的有效檢測，展示了ISFETs在多個領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

03【數(shù)據(jù)概覽】

圖1、石墨烯基ISFETs的pH敏感性，非理想因素，緩解 2024 Springer Nature Limited

圖2、利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理解pH敏感性 2024 Springer Nature Limited

圖3、摻假牛奶的分類到量化 2024 Springer Nature Limited

圖4、機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的石墨烯基ISFETs進(jìn)行食品鑒別 2024 Springer Nature Limited

圖5、機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的石墨烯基ISFETs監(jiān)測食物新鮮度 2024 Springer Nature Limited

04【科學(xué)啟迪】

該成果展示了石墨烯基離子敏感場效應(yīng)晶體管(ISFETs)在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康診斷、工業(yè)過程控制及食品安全等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。文章深入分析了石墨烯ISFETs的pH敏感性，指出其能準(zhǔn)確感知液體溶液的pH值，并討論了影響ISFET響應(yīng)的非理想因素。此外，文章還提出了利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來減輕這些挑戰(zhàn)的方法，為ISFETs更廣泛的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

原文信息：Pannone, A., Raj, A., Ravichandran, H. et al. Robust chemical analysis with graphene chemosensors and machine learning. Nature (2024).

來源：石墨烯聯(lián)盟

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