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石墨烯生物傳感器實(shí)現(xiàn)趨化因子的超靈敏檢測(cè),為先進(jìn)診斷技術(shù)鋪平道路
來(lái)源:MEMS  瀏覽次數(shù):2309  發(fā)布時(shí)間:2024-12-05

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。


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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>


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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>