魏大程团队在晶体管传感领域取得系列进展

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晶体管具有信号转换和信号放大的功能，在生物传感领域具有重大的应用前景。近期，复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室魏大程课题组在晶体管传感领域取得系列进展，开发了新型晶体管传感界面并分别构建了闭环催化纳米反应器系统、分子机电系统传感界面、光增强化学晶体管小分子检测平台，研究成果分别发表在Science Advances (2023, doi: 10.1126/sciadv.adj0839)、Nature Protocols (2023, 18, 2313-2348)、Journal of the American Chemical Society (2023, 145, 10035-10044)上。
       此外，团队还构建了基于超级电容式的电化学有机晶体管，通过对神经递质信号（乙酰胆碱）的响应与记忆，实现了高效的化学通讯，研究成果在Nano Letters (2023, 23, 4974-4982)上发表题为“Highly Bionic Neurotransmitter-Communicated Neurons Following Integrate-and-Fire Dynamics”的文章；发展了一种电场增强石墨烯晶体管，实现了对于结核杆菌、COVID-19病毒和鼻病毒的高灵敏快速检测，研究成果以“Accurately Detecting Trace-Level Infectious Agents by an Electro-Enhanced Graphene Transistor”为题发表在Advanced Functional Materials (2023, 33, 2300151)上；构建了一类新型的基于人工核苷酸适配体的石墨烯场效应晶体管传感器(AN-Apta-FET)，实现了肝癌细胞外泌体的高特异性、高灵敏性检测，并在Analytical Chemistry (2023, 95, 1446-1453)上发表题为“Artificial Nucleotide Aptamer-Based Field-Effect Transistor for Ultrasensitive Detection of Hepatoma Exosomes”的文章; 开发了用于超灵敏miRNA检测的催化发夹组装增强石墨烯晶体管，相关成果以“Catalytic Hairpin Assembly-Enhanced Graphene Transistor for Ultrasensitive miRNA Detection”为题发表在期刊Analytical Chemistry (2023, 95, 13281-13288)上。

        由于系列成果，团队受邀在Science China Materials (DOI: 10.1007/s40843-023-2589-9)期刊上发表观点文章“Two-dimensional transistor sensors for biomedical detection”和Advanced Functional Materials (2023, 33, 2301948)上发表题为“Graphene Transistors for In Vitro Detection of Health Biomarkers” 的综述论文，系统总结了石墨烯在精准医疗中遇到的技术挑战及应对策略，同时也受邀在The Journal of Physical Chemistry Letters (2023, 14, 4087-4095)上发表题为“Electrical Nano Biosensors for Nucleic Acid-Based Diagnostics”的综述论文。
        1. 构筑在晶体管上的闭环催化纳米反应系统 | Science Advances
        多酶级联反应广泛用于高附加值的药物、化学品、材料或燃料的合成。如何在纳米或者分子尺度上操控级联反应，是实现高催化效率的关键。尽管目前多酶级联纳米反应器能够在纳米甚至分子水平上控制级联反应过程。由于缺乏监测功能与实时调控“二合一”闭环的一体化集成平台，这类纳米反应器还无法实现对反应过程的精准调控。
        近日，复旦大学魏大程团队在《科学-进展》 Science Advances期刊上发表题为“A Closed-loop catalytic nanoreactor system on transistor”的文章（DOI：10.1126/sciadv.adj0839）。该研究通过DNA框架结构在晶体管界面构筑了多酶级联催化纳米反应器，发现了晶体管界面处的电-化学双向场调控效应（inter-electro-chemical gating effect），实现了在分子尺度上对酶级联催化反应的实时监控和电学调控。该工作在晶体管表面构建了集纳米反应器、调节器和监测器为一体的纳米化学实验室，在纳米尺度上对多级酶联催化反应进行了闭环控制。
        该研究发现，施加一定的正栅极电压时可以增强酶的催化活性，而施加一定的负栅极电压时则可以抑制酶的催化活性，而这一现象可通过基于显色反应的酶促动力学来表征。结果显示，在0.3V栅极电压下，晶体管界面上酶催化活性是在溶液状态下的343倍。由于纳米反应系统的高催化效率，团队将该系统用于了前列腺癌标志物肌氨酸的检测，能有效区分前列腺癌与前列腺肥大患者的血清样本，显示出在疾病精准诊断领域的应用前景。本项目提出的闭环多级酶联纳米反应系统对化学向精准化、智能化发展具有推动作用。
       复旦大学高分子科学系魏大程研究员为论文通讯作者，主持了该研究。复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室博士后王学军，上海交通大学医学院附属仁济医院夏斌彬，北京航空航天大学郝壮为该文章的共同第一作者。上海交通大学医学院附属仁济医院董柏君教授为共同通讯作者。复旦大学分子材料与器件实验室刘云圻院士、新加坡国立大学Andrew T. S. Wee院士等对本研究提供了支持。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委和复旦大学的资助。
        2. 基于DNA“分子机电系统”的晶体管传感界面设计 | Nature Protocols
        晶体管作为一种新兴的通用型电学传感器平台，具有无标记检测、高灵敏、快速响应、高便携性等优点。然而，由于复杂的生物样本中大量背景物质的干扰以及德拜长度的限制，很难实现对痕量标志物的高灵敏检测。针对这一关键科学问题，魏大程团队提出了分子机电系统(MolEMS)概念，即一种通过DNA分子自组装而成，通过外电场驱动，能精准调控分子识别和信号转化过程，解决了晶体管传感界面高灵敏和抗污染特性的制约，实现了复杂样本痕量标志物的检测。2023年5与20日，相关传感界面设计方法以“Molecular-electromechanical system for unamplified detection of trace analytes in biofluids”为题发表在《自然-实验手册》（Nature Protocols 2023, 18, 2313-2348）期刊上。
        该实验手册介绍了基于分子机电系统思想的晶体管传感界面设计原理，阐述了其工作机制以及制备和表征手段。该技术具有较高的普适性，对不同种类标志物（核酸、蛋白、离子、小分子）以及不同样本环境（缓冲液、血清）能实现检出限最低5×10-19摩尔每升的检测。最后，实验手册介绍了晶体管型传感器便携式检测系统，实现了临床病原体样本的快速、精准、自动化检测。
        复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室博士后王学军为该文章的第一作者。复旦大学高分子科学系魏大程研究员为通讯作者。复旦大学分子材料与器件实验室刘云圻院士等对本研究提供了支持。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委和复旦大学的资助。
        3. 光增强化学晶体管平台用于小分子超灵敏检测 | Journal of the American Chemical Society
        化学晶体管是一种很有前途的传感器平台，具有无标记检测、快速响应、生物相容性、高便携性和用户友好性等优点。传统晶体管传感器对小分子的灵敏检测依赖于小分子本身的电荷性质。然而，大多数小分子是中性的，这意味着它们很难通过晶体管实现超灵敏的检测。
        研究团队发现了光化学栅压效应，并基于该效应研发了一种光增强的化学晶体管检测平台，提升了化学晶体管小分子检测灵敏度，能够检测浓度低至10-19M的中性分子甲基乙二醛，比现有技术低约5个数量级。相关工作以“Photo-Enhanced Chemo-Transistor Platform for Ultra-Sensitive Assay of Small Molecules”为题发表在美国化学会志Journal of the American Chemical Society (2023, 145, 10035-10044)上。
         研究发现，在石墨烯通道上修饰光敏多孔COFTP-py材料，可以获得光增强化学晶体管传感器。COFTP-py的微孔结构具有较大的比表面积，可以有效识别小分子，同时防止石墨烯通道被污染。在光照射下，含有丰富芘基团的COFTP-py吸收光并产生丰富的光电子，从而引入光栅调控机制。在光照下，光栅和化学栅的协同效应增强了化学晶体管在小分子识别时的电流响应。通过这种策略，该传感器可以在4分钟内能够区分糖尿病小鼠和健康小鼠的血清样本。光增强策略克服了化学晶体管在检测小分子或其他具有弱掺杂效应的物质方面的局限性，这可能使晶体管传感器成为生物学和医学应用中分子测定的通用平台。
         复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室、高分子科学系硕士生王乾坤、艾昭琳为共同第一作者；复旦大学魏大程研究员为通讯作者。复旦大学分子材料与器件实验室刘云圻院士、新加坡国立大学Andrew T. S. Wee院士、复旦大学高分子科学系系丁建东教授和俞麟教授等对本研究提供了支持。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委和复旦大学的资助。
        文章来源：复旦大学
        魏大程，复旦大学高分子科学系。2009年于中国科学院化学研究所获博士学位（师从刘云圻院士和朱道本院士），2009至2014在美国斯坦福大学和新加坡国立大学从事研究，2014年至今就职于复旦大学。研究领域包括新型晶体管材料、器件以及在传感领域的应用，发表论文100余篇，他引6000 余次。通讯作者论文发表在Nat. Biomed. Eng., Sci. Adv., Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed, ACS Nano, Nano Lett., Acc. Chem. Res., Adv. Funct. Mater.等期刊上。授权中国专利14项，美国专利3 项，合编专著2 部。多次被Nature Publishing Group, Springer 等出版社选为亮点报道，一项重要成果写入ITRS（国际半导体发展路线图）。