中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
石墨烯等二維材料不僅厚度極薄，而且靈敏度極高。因此，研究人員多年來(lái)一直在努力開(kāi)發(fā)利用其特性的高靈敏度生物傳感器。例如，基于石墨烯的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GFET）可以記錄分子與原子薄層相互作用時(shí)所引起的最微小的電子特性變化。然而，迄今為止，這種材料的超敏感性阻礙了這一想法的實(shí)際應(yīng)用。
德國(guó)耶拿大學(xué)（Friedrich Schiller University Jena）的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出了一種克服這一障礙的方法，有望為變革診斷技術(shù)鋪平道路。他們的研究成果已經(jīng)以“Ultrasensitive Detection of Chemokines in Clinical Samples with Graphene-Based Field-Effect Transistors”為題發(fā)表在Advanced Materials期刊上。
與其它生物傳感器一樣，基于石墨烯的生物傳感器也需要功能化的表面，以使只有特定分子才能附著在該表面。例如，如果要從血液或唾液樣本中檢測(cè)特定的生物標(biāo)記物，就必須在傳感器表面涂上相應(yīng)的對(duì)應(yīng)物，即所謂的捕獲分子。
“問(wèn)題在于如果直接對(duì)石墨烯進(jìn)行功能化處理，其電子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生不利的變化?！币么髮W(xué)Andrey Turchanin教授解釋稱(chēng)，“那時(shí)石墨烯就不再是石墨烯了，我們真正想要利用的獨(dú)特電子特性也就不復(fù)存在了?！痹谶@種情況下，構(gòu)建高靈敏度生物傳感器的重要參數(shù)，例如電荷載流子的遷移率，會(huì)受到非常大的影響。
為此，Andrey Turchanin教授及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于范德華（vdW）異質(zhì)結(jié)構(gòu)的GFET傳感器，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)由單層石墨烯與分子厚度≈1 nm的碳納米膜（CNM）層疊而成。為了在實(shí)際患者樣本中實(shí)現(xiàn)生物標(biāo)記物檢測(cè)的特異性和可靠性，傳感器功能化中加入了非天然l構(gòu)型的生物穩(wěn)定適體和親水性聚乙二醇，以避免非特異性吸附。
通過(guò)分子中間層實(shí)現(xiàn)功能化
Andrey Turchanin教授團(tuán)隊(duì)與來(lái)自產(chǎn)業(yè)界、科研以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的合作伙伴一起，開(kāi)發(fā)出了一種對(duì)石墨烯進(jìn)行功能化且不干擾其特性的方法。Andrey Turchanin教授解釋說(shuō)：“我們?cè)谑┥蠎?yīng)用了一層分子碳納米膜，它和石墨烯一樣薄，只有約1 nm。這個(gè)中間層是介電的，也就是說(shuō)它不導(dǎo)電?！?/p>
這兩種成分通過(guò)所謂的范德華力相互連接，形成了一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠在不影響石墨烯電子特性的情況下對(duì)其進(jìn)行功能化。
該研究所提出的L-AP/PEG-CNM GFET傳感器的制造步驟示意圖
這是因?yàn)榛瘜W(xué)活性官能團(tuán)可以不受干擾地應(yīng)用于分子中間層，在分子中間層上可以附著任何數(shù)量的不同捕獲分子。當(dāng)所需的對(duì)應(yīng)分子附著時(shí)，它們會(huì)將電場(chǎng)傳輸?shù)绞┥?，從而改變這種材料的電信號(hào)，而不會(huì)影響其特性。
復(fù)雜臨床樣本的研究
為捕獲分子，研究人員在分子中間層的化學(xué)活性官能團(tuán)上裝載了人工制造的適體，這種適體可以非常有針對(duì)性地結(jié)合特定分子。他們還在碳納米膜上添加了一層聚乙二醇（一種常用于醫(yī)藥領(lǐng)域的合成聚合物）蛋白排斥層進(jìn)行功能化。這能防止一些不想要的東西附著在表面上。這樣，就能在復(fù)雜的生物樣本中找到所需要的生物標(biāo)記物。
通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)裝置，研究人員成功地檢測(cè)到了趨化因子——一類(lèi)在人體免疫系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用的蛋白，由于它們具有誘導(dǎo)附近反應(yīng)細(xì)胞定向趨化的能力，因而命名為趨化細(xì)胞因子，由此，可以在疾病診斷中作為生物標(biāo)志物發(fā)揮重要作用。
Andrey Turchanin說(shuō)：“得益于與荷蘭一家醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的合作，我們?cè)谶@些實(shí)驗(yàn)中使用了真實(shí)患者的鼻拭子樣本。更重要的是，我們開(kāi)發(fā)的石墨烯傳感器不只可以發(fā)現(xiàn)一種生物標(biāo)志物，而是數(shù)百種?！?/p>
通過(guò)互補(bǔ)光譜技術(shù)表征L-AP/PEG-CNM GFET傳感器及其功能性能
更靈敏、更快速、更經(jīng)濟(jì)
Andrey Turchanin說(shuō)：“這項(xiàng)研究成果可能對(duì)未來(lái)的診斷技術(shù)具有開(kāi)創(chuàng)性意義，因?yàn)槲覀円呀?jīng)掃除了石墨烯生物傳感器開(kāi)發(fā)道路上的一大障礙，這種傳感器比目前臨床應(yīng)用領(lǐng)域使用的任何傳感器都要高效得多。它的靈敏度要高得多，速度也快得多，五分鐘左右就能得到結(jié)果，而且如果大量生產(chǎn)，成本效益也很高?！?/p>
其測(cè)量原理是純電學(xué)原理，電流的變化本身代表了是否發(fā)現(xiàn)所尋找的生物標(biāo)志物。因此，這種生物傳感器可以很容易地與即時(shí)診斷設(shè)備相結(jié)合，融入日常臨床實(shí)踐。Turchanin說(shuō)：“通過(guò)我們的手機(jī)甚至都有可能做到這一點(diǎn)?！?/p>
