明尼苏达大学科学与工程学院的研究人员发现了石墨烯材料另一个显著的用途——微小的电子“镊子”，它能够以惊人的效率抓住漂浮在水中的生物分子。这种能力可能会导致手持式疾病诊断系统的革命性发展，并且该系统可以在智能手机上运行。

石墨烯是一种由单层碳原子组成的材料，于十多年前被发现，由于其优异的性能，吸引了大量研究人员的研究，尤其是在微电子和太阳能电池等新领域。

因为石墨烯是单层原子，其厚度小于0.1nm，所以明尼苏达大学开发的石墨烯镊子与过去使用的其他技术相比，在捕获颗粒方面更为有效。这项研究目前被发表在纳米材料和器件领域的领先刊物Nature Communications杂志上。

世界上最犀利的镊子

用镊子捕获纳米尺寸物体的物理学原理已为人所知，这被人们称为介电电泳，并且通常通过使用一对金属电极来实施。然而，从抓取分子的角度来看，金属电极是非常钝的。他们只是缺少“锐利部分”来拿起和控制纳米尺度的物体。

研究小组负责人，明尼苏达大学电气和计算机工程系教授Sang-Hyun Oh表示：“石墨烯是迄今为止发现的最薄的材料，正是这种特性使得我们能够使这些镊子如此高效，没有其他材料能够达到这种性能。要制造抓住生物分子的高效电子镊子，通常需要我们制造小型化的探针，并在尖端集中大量的电流，石墨烯的边缘是最锐利的探针。”

研究小组还表明，石墨烯镊子可以用于各种物理和生物应用，如捕获半导体纳米晶体，纳米金刚石颗粒甚至DNA分子。通常情况下，这种类型的诱捕需要高电压，这就使其使用限制在实验室环境下，但是石墨烯镊子可以在1伏左右的电压下捕获小型DNA分子，这意味着可以在便携式设备如手机上使用。

利用明尼苏达大学纳米中心最先进的纳米加工设备，电子和计算机工程学Steven Koester教授团队通过创建夹层结构制造石墨烯镊子，其中薄的二氧化铪绝缘材料夹在金属电极和石墨烯之间。二氧化铪是目前先进的微芯片中常用的材料。

负责制造石墨烯器件的Koester说：“石墨烯的一大优点是与半导体行业的标准处理工具兼容，未来这将使这些器件商业化变得容易得多。”

明尼苏达大学电气和计算机工程学院的研究生及研究的主要作者Avijit Barik说：“我们是第一个使用石墨烯镊子来展示如此低能量的生物分子捕获的团队，目前还需要做更多的工作，来确定一个完全优化的设备的理论极限。我们已经使用了先进的实验室工具做最初的演示，如荧光显微镜和电子仪器。我们的最终目标是将整个设备小型化为一个由手机操作的单芯片。”

镊子可以“感知”分子

石墨烯镊子与金属基器件分离的另一个令人兴奋的前景是石墨烯还能“感知”捕获的生物分子。换句话说，镊子可以作为灵敏度高的生物传感器，通过使用简单的电子技术就可以显示出来。

Koester说：“石墨烯是一种非常通用的材料。它可以制造大量的晶体管和光电探测器，并具有用作发光和其他新型生物传感器的潜力，通过提高石墨烯快速捕获和检测分子的能力，我们可以为新型手持设备设计理想的低功耗电子平台生物传感器。”Oh表示：一切皆有可能。

Oh说：“除了石墨烯外，我们还可以利用各种各样的二维材料，并结合不寻常的光学或电子特性来构建尖锐的镊子。想象一下，原子镊子可以用来捕获、感知和释放生物分子，这真的让人兴奋。对于医疗诊断来说具有巨大的潜力，这也是我们这个强大设备的最终目标。”

除了Oh、Koester和Barik外，研究小组的其他研究人员包括明尼苏达大学电气与计算机工程系助理教授Tony Low、研究生Yao Zhang、博士后研究员Roberto Grassi以及Joshua Edel教授和来自伦敦帝国学院的研究助理 Binoy Paulose Nadappuram。

明尼苏达大学的研究主要由美国国家科学基金会和明尼苏达州生物技术和医学基因组学联盟资助，这是明尼苏达大学、Mayo诊所和明尼苏达州别致的合作项目。