《自然通讯》魏大程课题组开发新型场效应晶体管传感器实现羟基自由基检测

2019-03-27

 复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室研究员魏大程团队长期致力于开发场效应晶体管电学材料,包括共轭有机分子、大分子、低维纳米材料,研究场效应晶体管器件的设计原理以及在光电、化学传感、生物传感等领域的应用。近日,在场效应晶体管传感器领域取得重要进展。相关研究成果以《基于内剪切反应的石墨烯场效应晶体管自由基传感器》(Free Radical Sensors Based on Inner-Cutting Graphene Field-Effect Transistor)为题在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。


 羟基自由基(•OH)是一种生物体内存在的超高活性自由基,能够破坏诸如细胞与组织内的脂质、蛋白质、DNA等生物分子,与许多疾病及衰老现象密切相关。传统检测方法,诸如电子自旋共振、荧光、色谱、电化学等,需要标记,设备成本高,在选择性、检测限、定量以及便利度等方面都存在不足。相比之下,场效应晶体管传感器不需要标记,具有高灵敏度、低成本、微型便携、实时检测等诸多优势,是一种潜力巨大的传感技术,被广泛应用与检测金属离子、DNA、蛋白质、有机小分子等。然而,•OH自由基化学性质非常活泼,寿命很短,只有10−6秒量级,很容易转变成其他物质。因此,到目前为止还没有•OH自由基场效应晶体管传感器的报道。


 针对这一问题,魏大程团队开发了一种基于内剪切反应的石墨烯场效应晶体管传感器。在传感器中,石墨烯作为导电沟道。石墨烯表面修饰金纳米颗粒,并以Au-S键在金纳米颗粒表面固定原卟啉分子。当加入带电金属离子,金属离子会和原卟啉分子发生络合反应,从而对石墨烯产生电掺杂。在检测过程中,•OH自由基与Au-S键发生氧化剪切反应,从石墨烯表面释放带电金属离子,发生石墨烯的去掺杂,引起石墨烯沟道的电流变化,从而间接实现对•OH自由基的检测。采用不同浓度金属离子修饰的FET传感器进行检测,就能够半定量地测量•OH的浓度。该传感器对•OH具有良好的选择性,最低检测浓度达到10−9M。据我们所知,这是首例•OH自由基场效应晶体管传感器。同时,魏大程团队还原位测量了器件表面培养的Hela细胞在LPS刺激下释放的•OH自由基,展现出这种技术在生物传感及相关领域巨大的实用价值。


 聚合物分子工程国家重点实验室和复旦大学高分子科学系分别为第一、第二完成单位。高分子科学系博士后王振、硕士生易孔阳为共同第一作者。复旦大学高分子科学系魏大程研究员为通讯作者,主持该项研究工作。复旦大学化学系陈惠副教授参与了细胞检测实验。该工作得到国家自然科学基金、上海市自然科学基金、聚合物分子工程国家重点实验室的经费支持。


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a, •OH自由基检测机理示意图。b-c, 器件表面Hela细胞释放•OH的光学显微镜及荧光显微镜图片。d, Hela细胞释放•OH的电流响应曲线。e, 半定量检测Hela细胞释放•OH的浓度。