复旦大学魏大程研究员团队提出“分子机电系统”，实现精准生物检测

近日，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研发了一种基于“分子机电系统”(MOLEMS)的晶体管传感芯片，该成果以“RAPID AND ULTRASENSITIVE ELECTROMECHANICAL DETECTION OF IONS, BIOMOLECULES AND SARS-COV-2 RNA IN UNAMPLIFIED SAMPLES”为题发表于NATURE · BIOMEDICAL ENGINEERING。

魏大程研究员告诉果壳：“现阶段，我们团队正与一些单位和企业积极开展交流合作，今后会在此项研究的基础上进行技术的更新和改进，希望通过跨学科合作，逐步将研究落地。”

生命体中与健康相关的一些标志物丰度，特别是在某些疾病早期，往往很低。在复杂的生物液体中检测痕量标志物会受到大量背景物质的干扰。因此，实现生物液体中的精准检测对于生物研究、精准医疗和疾病早期诊断具有重要意义。

虽然微/纳米机电系统具有高集成、价格低等特点，并且生物体对某些环境信号的响应过程由一些生物分子精准操纵，往往具有高于人工系统的传感性能，但开发具有更高精准度的机电系统对于实现痕量生物标志物检测仍具有重要的意义。

魏大程团队提出的“分子机电系统”(MOLEMS)，即一种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的微型装置。将分子机电系统组装到石墨烯场效应晶体管上，会显著提升晶体管沟道电流对化学信号的响应。

在缓冲液或生物液体中，实现了金属离子(HG2+)、蛋白质(THROMBIN)、生物小分子(ATP)以及新冠病毒核酸(RNA和CDNA)的超灵敏检测。检测新冠病毒核酸样本不需要复杂耗时的核酸提取和扩增过程，检出限最低达10～20拷贝每毫升，电学响应时间小于4分钟，优于现有新冠核酸PCR检测方法。相对于微/纳米机电系统，分子机电系统实现了对传感过程更加精准的调控，为构筑高精度人造功能系统、实现痕量生物标志物检测应用提供了新思路。

(A)微/纳米机电系统示意图；(B)分子机电系统示意图；(C-E)基于分子机电系统的晶体管传感器及芯片图片；(G-F)传感芯片的共聚焦荧光显微镜和原子力显微镜表征图片 | 团队供图

魏大程认为，研究成果不能只停留在学术论文层面，进一步应用于产品的技术才有意义。谈及“分子机电系统”的应用场景时，他告诉我们：“系统用于检测的晶体管，可通过半导体工艺加工制造，方便集成到便携式系统中。一旦技术成熟，这种检测设备可以方便携带，实现在机场、诊所和当地急诊室，甚至在家中完成现场测试。未来不管这种系统是否能够用于新冠病毒检测，通过晶体管表面分子结构的设计也能在其他病原体和疾病检测领域实现应用。未来的应用形态之一就是类似于试纸的微型检测芯片。”

接下来，魏大程团队的研究方向会主要集中于开发快速、高集成、自动化的便携式疾病检测系统及临床验证方面；同时，他们进一步研发晶体管传感界面修饰的新技术，实现对疾病标志物更加准确的检测。在提升系统器件的稳定性和平行性上方面，研究团队将从器件结构设计和加工技术方面优化，建立标准化的材料和器件加工工艺，提高器件性能的一致性，为产业化做进一步的准备。

“未来的应用还需要建立标准化的传感芯片制造工艺，并在临床使用中去验证。研究目前还处于理论验证阶段，走向产业化还有一段路。”魏大程告诉果壳，“现阶段，我们团队已与一些单位和企业积极开展交流合作，今后会在此项研究的基础上进行技术的更新和改进，希望通过跨学科合作，逐步将研究落地。”

通讯作者魏大程：研究员，博士生导师。本科毕业于浙江大学高分子材料与工程系，博士毕业于中国科学院化学研究所，博士后在STANFORD大学化学系师从美国国家科学院院士、中科院外籍院士戴宏杰教授，2014年至今在复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室，高分子科学系 & 分子材料与器件实验室担任研究员。研究聚焦在晶体管材料与器件研究领域，开发了这类材料的可控合成技术，研究这类材料在新型晶体管器件、光电传感器、化学与生物传感器领域的应用，取得了一系列创新成果。目前，发表论文100余篇，其中24 篇论文发表在影响因子>10 的权威期刊上。