小分子作為分子量小于 1000 道爾頓的化合物，在生命活動(dòng)中發(fā)揮著重要的作用。對(duì)小分子進(jìn)行檢測(cè)和分析，無(wú)論是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，還是在疾病的早期診斷中，都是非常必要的。
目前，市場(chǎng)上已出現(xiàn)不少小分子檢測(cè)方法，包括光譜學(xué)、電化學(xué)等技術(shù)，但它們也同時(shí)存在著各種缺點(diǎn)，比如操作復(fù)雜、通量小、設(shè)備昂貴等。
與上述傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)相比，場(chǎng)效應(yīng)晶體管（field-effect transistors，F(xiàn)ET）這種傳感器平臺(tái)則具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高、響應(yīng)速度快、即時(shí)檢測(cè)等。
在該平臺(tái)中，石墨烯作為導(dǎo)電通道，當(dāng)其與小分子相互作用時(shí)，和電荷轉(zhuǎn)移相關(guān)的化學(xué)摻雜效應(yīng)會(huì)改變它的電勢(shì)，導(dǎo)致石墨烯 FET 通道的電導(dǎo)發(fā)生實(shí)時(shí)變化。
其中，必須說(shuō)明的是，小分子的電荷量或分析物的氧化還原性，對(duì)化學(xué)門(mén)控調(diào)制起著決定性作用。也就是說(shuō)，這種晶體管傳感器，更適用于檢測(cè)那些帶電量較多的分子，而無(wú)法很好地檢測(cè)那些電荷很少、且氧化還原性能較弱的小分子。
復(fù)旦大學(xué)魏大程研究員帶領(lǐng)的課題組，以新型場(chǎng)效應(yīng)晶體管材料的研發(fā)為研究重點(diǎn)（課題組主頁(yè)：www.weigroupfudan.com）。近期，該課題組發(fā)現(xiàn)了一種光化學(xué)門(mén)控效應(yīng)，可以通過(guò)引入額外的光門(mén)控調(diào)制，來(lái)提高小分子的檢測(cè)靈敏度。
基于此，他們?cè)谑?FET 通道上，生長(zhǎng)了具有良好光敏性的共價(jià)有機(jī)框架材料，能夠吸收大量的光能量，并產(chǎn)生豐富的光電子，進(jìn)而放大對(duì)化學(xué)信號(hào)的電流響應(yīng)。
接著，該團(tuán)隊(duì)采用光門(mén)控和化學(xué)門(mén)控協(xié)同的策略，開(kāi)發(fā)了一款光增強(qiáng)化學(xué)晶體管傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同小分子，包括中性分子在內(nèi)的高靈敏檢測(cè)。
利用該器件，他們成功檢測(cè)到由細(xì)胞產(chǎn)生的、濃度低于 10?19M 的二羰基代謝物甲基乙二醛（methylglyoxal，MGO），至少比現(xiàn)有的技術(shù)低 5 個(gè)數(shù)量級(jí)。需要說(shuō)明的是，MGO 是糖尿病、心血管病等疾病的重要參與分子，此前傳統(tǒng)的小分子檢測(cè)方法，很少能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)濃度低于 10?9M 的 MGO 的檢測(cè)。
在檢測(cè) MGO 的基礎(chǔ)上，該器件還可以通過(guò)在共價(jià)有機(jī)框架材料上設(shè)計(jì)活性位點(diǎn)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他具有不同電荷性質(zhì)的小分子的檢測(cè)。并且，對(duì)共價(jià)有機(jī)框架材料的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，還能滿(mǎn)足對(duì)其他疾病標(biāo)志物的檢測(cè)，比如蛋白質(zhì)、離子、核酸等。
圖丨光增強(qiáng)化學(xué)晶體管（來(lái)源：Journal of the American Chemical Society）
據(jù)魏大程介紹，該研究開(kāi)始于 2018 年左右，整個(gè)過(guò)程持續(xù)了兩到三年時(shí)間?！拔覀兿仁前l(fā)現(xiàn)了一些光增強(qiáng)的電學(xué)響應(yīng)信號(hào)現(xiàn)象，但并不清楚其中的機(jī)理，后來(lái)做了很多對(duì)比實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也進(jìn)行反復(fù)的討論分析，才明白其實(shí)際上是光柵效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)的協(xié)同作用導(dǎo)致的。”他說(shuō)。
同時(shí)，他也表示：“我們利用光增強(qiáng)技術(shù)的好處是，能夠?qū)π盘?hào)放大，使晶體管傳感器發(fā)展成一個(gè)通用平臺(tái)，既可以檢測(cè)帶電量較高的小分子，也可以檢測(cè)帶電量較低的小分子?！?
圖丨光增強(qiáng)化學(xué)晶體管（來(lái)源：Journal of the American Chemical Society）
2023 年 4 月 25 日，相關(guān)論文以《用于小分子超靈敏檢測(cè)的光增強(qiáng)化學(xué)晶體管平臺(tái)》（Photo-Enhanced Chemo-Transistor Platform for Ultrasensitive Assay of Small Molecules）為題在 Journal of the American Chemical Society 上發(fā)表[1]。
復(fù)旦大學(xué)碩士研究生王乾坤、艾昭琳為該論文的共同第一作者，復(fù)旦大學(xué)魏大程研究員為論文的通訊作者。
整體來(lái)看，該研究拓寬了晶體傳感器平臺(tái)的應(yīng)用范圍，具有快速、易于操作、高靈敏等優(yōu)點(diǎn)的傳感器件，有望在生物醫(yī)學(xué)研究、健康監(jiān)測(cè)和疾病診斷中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。
魏大程表示：“我們實(shí)驗(yàn)室主要想將晶體管傳感器與醫(yī)療相結(jié)合，開(kāi)展一些生化檢測(cè)方面的研究。不過(guò)，實(shí)現(xiàn)小分子檢測(cè)只是研究的一部分，這里面還有許多科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題有待解決。
比如，我們想實(shí)現(xiàn)對(duì)癌癥的檢測(cè)。雖然這方面也已經(jīng)有了很多相關(guān)技術(shù)，但在進(jìn)一步提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性上還有研究的空間，所以接下來(lái)我們也計(jì)劃朝著這個(gè)方向進(jìn)行探索?！?
此外，生化傳感領(lǐng)域，尤其是晶體管傳感技術(shù)，目前尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，現(xiàn)在，臨床上還沒(méi)有在大規(guī)模使用的產(chǎn)品。該團(tuán)隊(duì)也正在和相關(guān)企業(yè)進(jìn)行交流，希望能夠基于所開(kāi)發(fā)的技術(shù)，打造一些具有較強(qiáng)實(shí)用性的產(chǎn)品，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
