近日，復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程國家重點實驗室魏大程課題組研發了一種基於“分子機電系統”(molems)的電晶體感測晶片，該成果以“Rapid and ultrasensitive electromechanical detection of ions, biomolecules and SARS-CoV-2 RNA in unamplified samples”為題發表於Nature · Biomedical Engineering。
魏大程研究員告訴果殼：“現階段，我們團隊正與一些單位和企業積極開展交流合作，今後會在此項研究的基礎上進行技術的更新和改進，希望透過跨學科合作，逐步將研究落地。”
魏大程團隊正在進行實驗 | 團隊供圖
生命體中與健康相關的一些標誌物丰度，特別是在某些疾病早期，往往很低。在複雜的生物液體中檢測痕量標誌物會受到大量背景物質的干擾。因此，實現生物液體中的精準檢測對於生物研究、精準醫療和疾病早期診斷具有重要意義。
雖然微/奈米機電系統具有高整合、價格低等特點，並且生物體對某些環境訊號的響應過程由一些生物分子精準操縱，往往具有高於人工系統的感測效能，但開發具有更高精準度的機電系統對於實現痕量生物標誌物檢測仍具有重要的意義。
魏大程團隊提出的“分子機電系統”(MolEMS)，即一種DNA分子自組裝而成，透過外電場驅動，能精準調控分子識別和訊號轉化過程的微型裝置。將分子機電系統組裝到石墨烯場效應電晶體上，會顯著提升電晶體溝道電流對化學訊號的響應。
在緩衝液或生物液體中，實現了金屬離子(Hg2+)、蛋白質(Thrombin)、生物小分子(ATP)以及新冠病毒核酸(RNA和cDNA)的超靈敏檢測。檢測新冠病毒核酸樣本不需要複雜耗時的核酸提取和擴增過程，檢出限最低達10～20複製每毫升，電學響應時間小於4分鐘，優於現有新冠核酸PCR檢測方法。相對於微/奈米機電系統，分子機電系統實現了對感測過程更加精準的調控，為構築高精度人造功能系統、實現痕量生物標誌物檢測應用提供了新思路。
(a)微/奈米機電系統示意圖；(b)分子機電系統示意圖；(c-e)基於分子機電系統的電晶體感測器及晶片圖片；(g-f)感測晶片的共聚焦熒光顯微鏡和原子力顯微鏡表徵圖片 | 團隊供圖
魏大程認為，研究成果不能只停留在學術論文層面，進一步應用於產品的技術才有意義。談及“分子機電系統”的應用場景時，他告訴我們：“系統用於檢測的電晶體，可透過半導體工藝加工製造，方便整合到行動式系統中。一旦技術成熟，這種檢測裝置可以方便攜帶，實現在機場、診所和當地急診室，甚至在家中完成現場測試。未來不管這種系統是否能夠用於新冠病毒檢測，透過電晶體表面分子結構的設計也能在其他病原體和疾病檢測領域實現應用。未來的應用形態之一就是類似於試紙的微型檢測晶片。”
接下來，魏大程團隊的研究方向會主要集中於開發快速、高整合、自動化的行動式疾病檢測系統及臨床驗證方面；同時，他們進一步研發電晶體感測介面修飾的新技術，實現對疾病標誌物更加準確的檢測。在提升系統器件的穩定性和平行性上方面，研究團隊將從器件結構設計和加工技術方面最佳化，建立標準化的材料和器件加工工藝，提高器件效能的一致性，為產業化做進一步的準備。
魏大程團隊正在進行實驗 | 團隊供圖
“未來的應用還需要建立標準化的感測晶片製造工藝，並在臨床使用中去驗證。研究目前還處於理論驗證階段，走向產業化還有一段路。”魏大程告訴果殼，“現階段，我們團隊已與一些單位和企業積極開展交流合作，今後會在此項研究的基礎上進行技術的更新和改進，希望透過跨學科合作，逐步將研究落地。”
參考文獻
[1] Wang, L., Wang, X., Wu, Y. et al. Rapid and ultrasensitive electromechanical detection of ions, biomolecules and SARS-CoV-2 RNA in unamplified samples. Nat Biomed Eng (2022). https://doi.org/10.1038/s41551-021-00833-7
作者：非晚
編輯：酥魚
排版：尹寧流
研究團隊
通訊作者魏大程：研究員，博士生導師。本科畢業於浙江大學高分子材料與工程系，博士畢業於中國科學院化學研究所，博士後在Stanford大學化學系師從美國國家科學院院士、中科院外籍院士戴宏傑教授，2014年至今在復旦大學聚合物分子工程國家重點實驗室，高分子科學系 & 分子材料與器件實驗室擔任研究員。研究聚焦在電晶體材料與器件研究領域，開發了這類材料的可控合成技術，研究這類材料在新型電晶體器件、光電感測器、化學與生物感測器領域的應用，取得了一系列創新成果。目前，發表論文100餘篇，其中24 篇論文發表在影響因子>10 的權威期刊上。
論文資訊
釋出期刊《自然·生物醫學工程》nature biomedical engineering
釋出時間2022年2月7日
文章標題 Rapid and ultrasensitive electromechanical detection of ions, biomolecules and SARS-CoV-2 RNA in unamplified samples
（https://doi.org/10.1038/s41551-021-00833-7）
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