牛！他，时隔9月，二维材料，再发Nature！
学术
2024-10-12 21:58
河南
随着环境监测、医疗诊断和工业过程控制等领域对高灵敏度化学传感器的需求日益增加，离子敏场效应晶体管（ISFETs）作为一种新兴的化学传感技术，引起了广泛关注。ISFETs通过将化学溶液成分的变化转化为电信号，能够有效地检测离子浓度，成为检测水质、食品安全及生物医学应用的理想选择。然而，ISFET的可靠性受到多种非理想因素的影响，例如循环到循环、传感器到传感器以及芯片到芯片的变异，这些问题主要源于制造过程、材料特性和环境条件等。ISFET的基本原理是利用电场效应来测量离子浓度，具有高灵敏度和可扩展性等优点。因此，ISFET在化学传感器领域被广泛应用。然而，现有的ISFET技术在实际应用中面临着一些挑战，例如响应变化、灵敏度不一致及对不同条件的适应性差。这些问题的存在限制了ISFET在商业应用中的广泛采用。为此，宾夕法尼亚州立大学帕克分校的Saptarshi Das教授团队在Nature期刊上发表了题为“Robust chemical analysis with graphene chemosensors and machine learning”的最新论文。本研究针对非功能化基于石墨烯的ISFET进行了深入探讨，利用机器学习方法来减轻传感器响应变化带来的挑战。作者以pH传感作为基准，通过统计分析和简单的机器学习算法评估与ISFET特性相关的多种人类衍生的性能指标。然后，将这些指标与训练于相同数据集的人工神经网络（ANN）模型中获得的特征区域进行关联。研究结果表明，ANN能够有效识别ISFET特性中的不同区域，从而提高分类准确率和定量能力。此外，本研究还展示了基于石墨烯的ISFET技术在食品行业中的应用潜力，能够有效识别食品欺诈、食品变质及安全问题。值得注意的是，在9月前，Saptarshi Das教授等人展示了基于大面积生长的MoS2和WSe2的多功能2D FET的单片3D集成。引起了不小的关注！（1）本文首次展示了将机器学习算法与非功能化基于石墨烯的离子敏场效应晶体管（ISFETs）结合，成功构建了用于食品安全检测的预测模型。通过分析生成的大规模数据集，验证了机器学习在处理传感器数据中的有效性，展现了ISFETs在环境监测和食品安全领域的广泛应用潜力。（2）实验通过对pH传感数据的统计分析和机器学习模型训练，发现不同区域的ISFET特性可被人工神经网络（ANN）有效识别。这一发现表明，ANN不仅能够执行分类任务，还能超越人类传统性能指标，进行更深层次的特征提取。此外，研究表明，单一传感器设计在多种应用场景中均能有效工作，而无需进行传感器校准或模型重新训练。（3）本文通过创建能够认证食品产品、量化食品掺假实例和识别食品安全问题的数据集，实验展示了机器学习辅助的石墨烯ISFET技术在食品供应链中的实际应用前景。最终，结合紧凑、高效且可重复使用的石墨烯ISFET技术和强大的机器学习算法，将为化学和环境变化的检测提供革命性的解决方案，提升了该技术的市场应用价值。图1. 石墨烯基ISFETs的pH敏感性，非理想因素，缓解。图4: 机器学习辅助的石墨烯基ISFETs进行食品鉴别 。图5: 机器学习辅助的石墨烯基ISFETs监测食物新鲜度。本文强调离子敏场效应晶体管（ISFETs）与机器学习算法的结合如何推动化学传感技术的发展。ISFETs凭借其高灵敏度和可扩展性，在环境监测、医疗诊断和工业过程控制等领域展现了巨大的应用潜力。然而，传统ISFET的可靠性受到了多种非理想因素的影响，这限制了其在商业应用中的广泛采用。通过引入机器学习，尤其是人工神经网络，研究者们能够有效解决传感器之间、循环之间的响应变异问题。此外，机器学习不仅提高了对数据的分析能力，还能够挖掘出超越人类经验的特征，从而提升分类和定量分析的精准度。特别是在食品行业，通过对食品掺假、变质和安全性问题的检测，展示了这一技术的实际应用潜力。这种将高效的石墨烯基ISFET与先进的机器学习相结合的策略，为化学传感器的设计和应用提供了新的思路，促进了食品安全等关键领域的发展，预示着未来在各类化学和环境监测中有广泛的应用前景。Pannone, A., Raj, A., Ravichandran, H. et al. Robust chemical analysis with graphene chemosensors and machine learning. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08003-w🌟 同步辐射，找华算 ！三代光源，全球机时，最快一周出结果，保质保量！👉全面开放项目：同步辐射硬线/软线/高能/液体/原位/SAXS/GIWAXS/PDF/XRD/数据拟合！🏅 500+博士团队护航，助力20000+研究在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！
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