復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室魏大程課題組研發(fā)了一種基于“分子機(jī)電系統(tǒng)（MolEMS）”的晶體管傳感芯片研究，因?yàn)樵跈z測(cè)新冠病毒核酸樣本不需要復(fù)雜耗時(shí)的核酸提取和擴(kuò)增過程，檢出限最低達(dá)10～20拷貝每毫升，檢測(cè)時(shí)間小于4分鐘，優(yōu)于現(xiàn)有新冠核酸PCR檢測(cè)方法。

生命體中與健康相關(guān)的一些標(biāo)志物豐度，特別是在某些疾病早期，往往很低。在復(fù)雜的生物液體中，檢測(cè)痕量標(biāo)志物會(huì)受到大量背景物質(zhì)的干擾。因此，實(shí)現(xiàn)生物液體中的精準(zhǔn)檢測(cè)對(duì)于生物研究、精準(zhǔn)醫(yī)療和疾病早期診斷具有重要意義。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室魏大程課題組研發(fā)了一種基于“分子機(jī)電系統(tǒng)（MolEMS）”的晶體管傳感芯片，該成果以“在未擴(kuò)增樣本中快速、超靈敏機(jī)電檢測(cè)離子、生物分子和新冠病毒RNA”（Rapid and ultrasensitive electromechanical detection of ions, biomolecules and SARS-CoV-2 RNA in unamplified samples）為題發(fā)表于《自然生物醫(yī)學(xué)工程》（Nature Biomedical Engineering）。

據(jù)介紹，在智能傳感應(yīng)用領(lǐng)域，此前，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）將微米級(jí)機(jī)械組件與微電子芯片集成，把機(jī)械、化學(xué)、生物等信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，具有高集成、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了廣泛的商業(yè)應(yīng)用。納米機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）將組件尺寸進(jìn)一步縮小到納米量級(jí)，在降低成本、體積和功耗的同時(shí)極大提高了靈敏度，通過與場(chǎng)效應(yīng)晶體管等功能元件的集成實(shí)現(xiàn)了生物傳感應(yīng)用。

然而，與微/納米機(jī)電系統(tǒng)相比，生物體對(duì)某些環(huán)境信號(hào)的響應(yīng)過程由一些生物分子精準(zhǔn)操縱，往往具有高于人工系統(tǒng)的傳感性能。因此，開發(fā)具有更高精準(zhǔn)度的機(jī)電系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)痕量生物標(biāo)志物檢測(cè)具有重要意義。

復(fù)旦大學(xué)魏大程課題組長(zhǎng)期致力于研究新型晶體管材料、器件及其在生物、化學(xué)和光電傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用。他們提出的“分子機(jī)電系統(tǒng)（MolEMS）”，即一種通過DNA分子自組裝而成，通過外電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，能精準(zhǔn)調(diào)控分子識(shí)別和信號(hào)轉(zhuǎn)化過程的微型裝置（圖1）。通過將分子機(jī)電系統(tǒng)組裝到石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管上，其剛性底座有助于避免污染物的非特異性吸附；外電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)柔性適配體懸臂發(fā)生運(yùn)動(dòng)，使傳感過程更加接近晶體管溝道，顯著提升了靈敏度。在緩沖溶液或生物液體中實(shí)現(xiàn)了金屬離子（Hg²?）、蛋白質(zhì)（Thrombin）、生物小分子（ATP）以及新冠病毒核酸（RNA和cDNA）的超靈敏檢測(cè)。檢測(cè)新冠病毒核酸樣本不需要復(fù)雜耗時(shí)的核酸提取和擴(kuò)增過程，檢出限最低達(dá)10～20拷貝每毫升，檢測(cè)時(shí)間小于4分鐘，優(yōu)于現(xiàn)有新冠核酸PCR檢測(cè)方法。

圖1  (a) 微/納米機(jī)電系統(tǒng)示意圖；(b) 分子機(jī)電系統(tǒng)示意圖；(c-e) 基于分子機(jī)電系統(tǒng)的晶體管傳感器及芯片圖片；(g-f) 傳感芯片的共聚焦熒光顯微鏡和原子力顯微鏡表征圖片。

圖2 新冠病毒肺炎（SARS-CoV-2）核酸檢測(cè)

相對(duì)于微/納米機(jī)電系統(tǒng)，分子機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感過程更加精準(zhǔn)的調(diào)控，為構(gòu)筑高精度人造功能系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)痕量生物標(biāo)志物檢測(cè)應(yīng)用提供了新思路。

復(fù)旦大學(xué)聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和高分子科學(xué)系分別為論文第一和第二單位；復(fù)旦大學(xué)魏大程主持了該研究項(xiàng)目；復(fù)旦大學(xué)王麗倩博士、王學(xué)軍博士、吳云根博士生、郭明權(quán)博士為共同第一作者；復(fù)旦大學(xué)劉云圻院士、謝幼華教授、上海交通大學(xué)樊春海院士等參與了該研究。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委、復(fù)旦大學(xué)和聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的合力支持。