近日，複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于“分子機電系統”(molems)的半導體傳感晶片，該成果以“Rapid and ultrasensitive electromechanical detection of ions, biomolecules and SARS-CoV-2 RNA in unamplified samples”為題發表于Nature · Biomedical Engineering。
魏大程研究員告訴果殼：“現階段，我們團隊正與一些機關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，希望通過跨學科合作，逐漸将研究落地。”
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标志物豐度，特别是在某些疾病早期，往往很低。在複雜的生物液體中檢測痕量标志物會受到大量背景物質的幹擾。是以，實作生物液體中的精準檢測對于生物研究、精準醫療和疾病早期診斷具有重要意義。
雖然微/納米機電系統具有高內建、價格低等特點，并且生物體對某些環境信号的響應過程由一些生物分子精準操縱，往往具有高于人工系統的傳感性能，但開發具有更高精準度的機電系統對于實作痕量生物标志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，通過外電場驅動，能精準調控分子識别和信号轉化過程的微型裝置。将分子機電系統組裝到石墨烯場效應半導體上，會顯著提升半導體溝道電流對化學信号的響應。
在緩沖液或生物液體中，實作了金屬離子(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拷貝每毫升，電學響應時間小于4分鐘，優于現有新冠核酸PCR檢測方法。相對于微/納米機電系統，分子機電系統實作了對傳感過程更加精準的調控，為構築高精度人造功能系統、實作痕量生物标志物檢測應用提供了新思路。
(a)微/納米機電系統示意圖；(b)分子機電系統示意圖；(c-e)基于分子機電系統的半導體傳感器及晶片圖檔；(g-f)傳感晶片的共聚焦熒光顯微鏡和原子力顯微鏡表征圖檔 | 團隊供圖
魏大程認為，研究成果不能隻停留在學術論文層面，進一步應用于産品的技術才有意義。談及“分子機電系統”的應用場景時，他告訴我們：“系統用于檢測的半導體，可通過半導體工藝加工制造，友善內建到便攜式系統中。一旦技術成熟，這種檢測裝置可以友善攜帶，實作在機場、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于新冠病毒檢測，通過半導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作應用。未來的應用形态之一就是類似于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于開發快速、高內建、自動化的便攜式疾病檢測系統及臨床驗證方面；同時，他們進一步研發半導體傳感界面修飾的新技術，實作對疾病标志物更加準确的檢測。在提升系統器件的穩定性和平行性上方面，研究團隊将從器件結構設計和加工技術方面優化，建立标準化的材料和器件加工工藝，提高器件性能的一緻性，為産業化做進一步的準備。
“未來的應用還需要建立标準化的傳感晶片制造技術，并在臨床使用中去驗證。研究目前還處于理論驗證階段，走向産業化還有一段路。”魏大程告訴果殼，“現階段，我們團隊已與一些機關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，希望通過跨學科合作，逐漸将研究落地。”
參考文獻
作者：非晚
編輯：酥魚
排版：尹甯流
研究團隊
通訊作者魏大程：研究員，博士生導師。大學畢業于浙江大學高分子材料與工程系，博士畢業于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年至今在複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。研究聚焦在半導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半導體器件、光電傳感器、化學與生物傳感器領域的應用，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。
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