用于小分子超灵敏检测的光增强化学晶体管平台

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

小分子在生物体中含量极低，但在生命活动中经常发挥着不可替代的作用。一些检测技术虽然能够检测样品中的单个或几个小分子，但这些方法通常需要纳米级的传感器、微小的测试体积以及超小的识别界面。总的来说，这些技术缺乏检测各种小分子的通用性。

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。当小分子与晶体管的通道界面相互作用时，与界面静电感应或电荷转移相关的化学掺杂效应会改变通道的电势，从而导致晶体管通道的电导发生实时变化。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。

基于上述背景，复旦大学高分子科学系魏大程（点击查看介绍）课题组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，提升了化学晶体管检测灵敏度，能够检测浓度低至10⁻¹⁹ M的中性分子甲基乙二醛，比现有技术低约5个数量级。研究发现，在石墨烯通道上修饰光敏多孔COF_TP-py材料，可以获得光增强化学晶体管传感器。COF_TP-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COF_TP-py吸收光并产生丰富的光电子，从而引入光栅调控机制。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。

图1. 光增强化学晶体管平台示意图

图2. 光增强化学晶体管检测原理及其检测性能

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，复旦大学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。

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Photo-Enhanced Chemo-Transistor Platform for Ultrasensitive Assay of Small Molecules

Qiankun Wang, Zhaolin Ai, Qianying Guo, Xuejun Wang, Changhao Dai, Hancheng Wang, Jiang Sun, Yanan Tang, Dingding Jiang, Xinjie Pei, Renzhong Chen, Jian Gou, Lin Yu, Jiandong Ding, Andrew T. S. Wee, Yunqi Liu, and Dacheng Wei*

J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.2c13655

魏大程简介

魏大程，复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室研究员、博士生导师。2009年于中国科学院获得博士学位，2009年至2014年在新加坡国立大学和斯坦福大学从事研究。2014年3月加入复旦大学，入选上海市优秀学术带头人、巴渝学者讲座教授、中国高被引学者。2019年获国家自然科学奖二等奖。

魏大程课题组长期致力于研究新型场效应晶体管材料、晶体管设计原理以及晶体管在光电、化学和生物传感等领域的应用。在Nat. Biomed. Eng., Sci. Adv., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed, ACS Nano, Nano Lett., Acc. Chem. Res., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.等期刊上发表论文100余篇，授权专利20余项，参与编撰专著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）。

https://www.x-mol.com/university/faculty/62604 

科研思路分析

Q：这项研究的想法是怎么产生的？

A：传统化学晶体管对小分子的灵敏检测依赖于小分子本身的电荷性质，这意味它们很难对弱电荷性质的小分子实现超灵敏检测。共价有机框架（COFs）材料具有高稳定性和高结晶性的特点，能够在复杂的检测环境中稳定存在。COFs的介孔结构和丰富的活性位点有利于目标物质的高效识别。光敏共价有机框架材料作为石墨烯通道的修饰层，吸收光能后产生大量的光生电子。光生电子会被捕获在COF/石墨烯的界面，进而引入额外的光栅调控。在光栅和化学栅的协同作用下，小分子识别产生的电流响应被显著放大。 

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？

A：我们开发的光增强化学晶体管平台不仅克服了化学晶体管在检测小分子或其他掺杂效应较弱的物种方面的局限性，其微小的传感界面还可以进一步集成到多通道阵列中，以满足多路复用和并行检测的要求。该设备有望应用于疾病诊断、生化研究和健康监测等领域。