小分子作為分子量小于 1000 道爾頓的化合物，在生命活動中發(fā)揮著重要的作用。對小分子進行檢測和分析，無論是在生物醫(yī)學領域，還是在疾病的早期診斷中，都是非常必要的。

目前，市場上已出現(xiàn)不少小分子檢測方法，包括光譜學、電化學等技術，但它們也同時存在著各種缺點，比如操作復雜、通量小、設備昂貴等。

與上述傳統(tǒng)的檢測技術相比，場效應晶體管（field-effect transistors，F(xiàn)ET）這種傳感器平臺則具有諸多優(yōu)點，如靈敏度高、響應速度快、即時檢測等。

在該平臺中，石墨烯作為導電通道，當其與小分子相互作用時，和電荷轉(zhuǎn)移相關的化學摻雜效應會改變它的電勢，導致石墨烯 FET 通道的電導發(fā)生實時變化。

其中，必須說明的是，小分子的電荷量或分析物的氧化還原性，對化學門控調(diào)制起著決定性作用。也就是說，這種晶體管傳感器，更適用于檢測那些帶電量較多的分子，而無法很好地檢測那些電荷很少、且氧化還原性能較弱的小分子。

復旦大學魏大程研究員帶領的課題組，以新型場效應晶體管材料的研發(fā)為研究重點（課題組主頁：www.weigroupfudan.com）。近期，該課題組發(fā)現(xiàn)了一種光化學門控效應，可以通過引入額外的光門控調(diào)制，來提高小分子的檢測靈敏度。

基于此，他們在石墨烯 FET 通道上，生長了具有良好光敏性的共價有機框架材料，能夠吸收大量的光能量，并產(chǎn)生豐富的光電子，進而放大對化學信號的電流響應。

圖丨團隊合照（來源：魏大程）

接著，該團隊采用光門控和化學門控協(xié)同的策略，開發(fā)了一款光增強化學晶體管傳感器，實現(xiàn)對不同小分子，包括中性分子在內(nèi)的高靈敏檢測。

利用該器件，他們成功檢測到由細胞產(chǎn)生的、濃度低于 10−19M 的二羰基代謝物甲基乙二醛（methylglyoxal，MGO），至少比現(xiàn)有的技術低 5 個數(shù)量級。需要說明的是，MGO 是糖尿病、心血管病等疾病的重要參與分子，此前傳統(tǒng)的小分子檢測方法，很少能夠?qū)崿F(xiàn)對濃度低于 10−9M 的 MGO 的檢測。

在檢測 MGO 的基礎上，該器件還可以通過在共價有機框架材料上設計活性位點的方式，實現(xiàn)對其他具有不同電荷性質(zhì)的小分子的檢測。并且，對共價有機框架材料的分子結構進行調(diào)整，還能滿足對其他疾病標志物的檢測，比如蛋白質(zhì)、離子、核酸等。

圖丨光增強化學晶體管（來源：Journal of the American Chemical Society）

據(jù)魏大程介紹，該研究開始于 2018 年左右，整個過程持續(xù)了兩到三年時間。“我們先是發(fā)現(xiàn)了一些光增強的電學響應信號現(xiàn)象，但并不清楚其中的機理，后來做了很多對比實驗，同時也進行反復的討論分析，才明白其實際上是光柵效應和化學效應的協(xié)同作用導致的。”他說。

同時，他也表示：“我們利用光增強技術的好處是，能夠?qū)π盘柗糯螅咕w管傳感器發(fā)展成一個通用平臺，既可以檢測帶電量較高的小分子，也可以檢測帶電量較低的小分子。”

圖丨光增強化學晶體管（來源：Journal of the American Chemical Society）

2023 年 4 月 25 日，相關論文以《用于小分子超靈敏檢測的光增強化學晶體管平臺》（Photo-Enhanced Chemo-Transistor Platform for Ultrasensitive Assay of Small Molecules）為題在 Journal of the American Chemical Society 上發(fā)表[1]。

圖丨相關論文（來源：Journal of the American Chemical Society）

復旦大學碩士研究生王乾坤、艾昭琳為該論文的共同第一作者，復旦大學魏大程研究員為論文的通訊作者。

整體來看，該研究拓寬了晶體傳感器平臺的應用范圍，具有快速、易于操作、高靈敏等優(yōu)點的傳感器件，有望在生物醫(yī)學研究、健康監(jiān)測和疾病診斷中實現(xiàn)應用。

魏大程表示：“我們實驗室主要想將晶體管傳感器與醫(yī)療相結合，開展一些生化檢測方面的研究。不過，實現(xiàn)小分子檢測只是研究的一部分，這里面還有許多科學問題和技術問題有待解決。

比如，我們想實現(xiàn)對癌癥的檢測。雖然這方面也已經(jīng)有了很多相關技術，但在進一步提高檢測的準確性上還有研究的空間，所以接下來我們也計劃朝著這個方向進行探索。”

此外，生化傳感領域，尤其是晶體管傳感技術，目前尚處于實驗室階段，現(xiàn)在，臨床上還沒有在大規(guī)模使用的產(chǎn)品。該團隊也正在和相關企業(yè)進行交流，希望能夠基于所開發(fā)的技術，打造一些具有較強實用性的產(chǎn)品，推動產(chǎn)業(yè)領域的應用。

參考資料：

1. Q., Wang, Z., Ai, Q., Guo. et al. Photo-Enhanced Chemo-Transistor Platform for Ultrasensitive Assay of Small Molecules. Journal of the American Chemical Society 145, 18，10035-10044 （2023）. https://doi.org/10.1021/jacs.2c13655