中國電子元件行業(yè)協(xié)會
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，研究人員多年來一直在努力開發(fā)利用其特性的高靈敏度生物傳感器。例如，基于石墨烯的場效應(yīng)晶體管（GFET）可以記錄分子與原子薄層相互作用時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際應(yīng)用。
德國耶拿大學(xué)（Friedrich Schiller University Jena）的科學(xué)家們開發(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)的對應(yīng)物，即所謂的捕獲分子。
“問題在于如果直接對石墨烯進(jìn)行功能化處理，其電子結(jié)構(gòu)會發(fā)生不利的變化。”耶拿大學(xué)Andrey Turchanin教授解釋稱，“那時石墨烯就不再是石墨烯了，我們真正想要利用的獨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，會受到非常大的影響。
為此，Andrey Turchanin教授及其團(tuán)隊開發(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。為了在實際患者樣本中實現(xiàn)生物標(biāo)記物檢測的特異性和可靠性，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。
通過分子中間層實現(xiàn)功能化
Andrey Turchanin教授團(tuán)隊與來自產(chǎn)業(yè)界、科研以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的合作伙伴一起，開發(fā)出了一種對石墨烯進(jìn)行功能化且不干擾其特性的方法。Andrey Turchanin教授解釋說：“我們在石墨烯上應(yīng)用了一層分子碳納米膜，它和石墨烯一樣薄，只有約1 nm。這個中間層是介電的，也就是說它不導(dǎo)電?！?/p>
這兩種成分通過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
這是因為化學(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)所需的對應(yīng)分子附著時，它們會將電場傳輸?shù)绞┥?，從而改變這種材料的電信號，而不會影響其特性。
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。
通過這一實驗裝置，研究人員成功地檢測到了趨化因子——一類在人體免疫系統(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：“得益于與荷蘭一家醫(yī)學(xué)實驗室的合作，我們在這些實驗中使用了真實患者的鼻拭子樣本。更重要的是，我們開發(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：“這項研究成果可能對未來的診斷技術(shù)具有開創(chuàng)性意義，因為我們已經(jīng)掃除了石墨烯生物傳感器開發(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診斷設(shè)備相結(jié)合，融入日常臨床實踐。Turchanin說：“通過我們的手機(jī)甚至都有可能做到這一點?！?/p>
