复旦开发光增强化学晶体管传感器,实现中性小分子的高灵敏检测

小分子作为分子量小于 1000 道尔顿的化合物,在生命活动中发挥着重要的作用。对小分子进行检测和分析,无论是在生物医学领域,还是在疾病的早期诊断中,都是非常必要的。目前,市场上已出现不少小分子检测方法,包括光谱学、电化学等技术,但它们也同时存在着各种缺点,比如操作复杂、通量小、设备昂贵等。

小分子作为分子量小于 1000 道尔顿的化合物,在生命活动中发挥着重要的作用。对小分子进行检测和分析,无论是在生物医学领域,还是在疾病的早期诊断中,都是非常必要的。

目前,市场上已出现不少小分子检测方法,包括光谱学、电化学等技术,但它们也同时存在着各种缺点,比如操作复杂、通量小、设备昂贵等。

与上述传统的检测技术相比,场效应晶体管(field-effect transistors,FET)这种传感器平台则具有诸多优点,如灵敏度高、响应速度快、即时检测等。

在该平台中,石墨烯作为导电通道,当其与小分子相互作用时,和电荷转移相关的化学掺杂效应会改变它的电势,导致石墨烯 FET 通道的电导发生实时变化。

其中,必须说明的是,小分子的电荷量或分析物的氧化还原性,对化学门控调制起着决定性作用。也就是说,这种晶体管传感器,更适用于检测那些带电量较多的分子,而无法很好地检测那些电荷很少、且氧化还原性能较弱的小分子。

复旦大学魏大程研究员带领的课题组,以新型场效应晶体管材料的研发为研究重点(课题组主页:www.weigroupfudan.com)。近期,该课题组发现了一种光化学门控效应,可以通过引入额外的光门控调制,来提高小分子的检测灵敏度。

基于此,他们在石墨烯 FET 通道上,生长了具有良好光敏性的共价有机框架材料,能够吸收大量的光能量,并产生丰富的光电子,进而放大对化学信号的电流响应。

图丨团队合照(来源:魏大程)

接着,该团队采用光门控和化学门控协同的策略,开发了一款光增强化学晶体管传感器,实现对不同小分子,包括中性分子在内的高灵敏检测。

利用该器件,他们成功检测到由细胞产生的、浓度低于 10−19M 的二羰基代谢物甲基乙二醛(methylglyoxal,MGO),至少比现有的技术低 5 个数量级。需要说明的是,MGO 是糖尿病、心血管病等疾病的重要参与分子,此前传统的小分子检测方法,很少能够实现对浓度低于 10−9M 的 MGO 的检测。

在检测 MGO 的基础上,该器件还可以通过在共价有机框架材料上设计活性位点的方式,实现对其他具有不同电荷性质的小分子的检测。并且,对共价有机框架材料的分子结构进行调整,还能满足对其他疾病标志物的检测,比如蛋白质、离子、核酸等。

图丨光增强化学晶体管(来源:Journal of the American Chemical Society)

据魏大程介绍,该研究开始于 2018 年左右,整个过程持续了两到三年时间。“我们先是发现了一些光增强的电学响应信号现象,但并不清楚其中的机理,后来做了很多对比实验,同时也进行反复的讨论分析,才明白其实际上是光栅效应和化学效应的协同作用导致的。”他说。

同时,他也表示:“我们利用光增强技术的好处是,能够对信号放大,使晶体管传感器发展成一个通用平台,既可以检测带电量较高的小分子,也可以检测带电量较低的小分子。”

图丨光增强化学晶体管(来源:Journal of the American Chemical Society)

2023 年 4 月 25 日,相关论文以《用于小分子超灵敏检测的光增强化学晶体管平台》(Photo-Enhanced Chemo-Transistor Platform for Ultrasensitive Assay of Small Molecules)为题在 Journal of the American Chemical Society 上发表[1]。

图丨相关论文(来源:Journal of the American Chemical Society)

复旦大学硕士研究生王乾坤、艾昭琳为该论文的共同第一作者,复旦大学魏大程研究员为论文的通讯作者。

整体来看,该研究拓宽了晶体传感器平台的应用范围,具有快速、易于操作、高灵敏等优点的传感器件,有望在生物医学研究、健康监测和疾病诊断中实现应用。

魏大程表示:“我们实验室主要想将晶体管传感器与医疗相结合,开展一些生化检测方面的研究。不过,实现小分子检测只是研究的一部分,这里面还有许多科学问题和技术问题有待解决。

比如,我们想实现对癌症的检测。虽然这方面也已经有了很多相关技术,但在进一步提高检测的准确性上还有研究的空间,所以接下来我们也计划朝着这个方向进行探索。”

此外,生化传感领域,尤其是晶体管传感技术,目前尚处于实验室阶段,现在,临床上还没有在大规模使用的产品。该团队也正在和相关企业进行交流,希望能够基于所开发的技术,打造一些具有较强实用性的产品,推动产业领域的应用。

参考资料:

1. Q., Wang, Z., Ai, Q., Guo. et al. Photo-Enhanced Chemo-Transistor Platform for Ultrasensitive Assay of Small Molecules. Journal of the American Chemical Society 145, 18,10035-10044 (2023). https://doi.org/10.1021/jacs.2c13655

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