晶體管具有信號轉換和信號放大的功能🍖，在生物傳感領域具有重大的應用前景💇🏽。近期，沐鸣开户、聚合物分子工程國家重點實驗室魏大程課題組在晶體管傳感領域取得系列進展💁🏿‍♀️，開發了新型晶體管傳感界面並分別構建了閉環催化納米反應器系統🧕🏻🌘、分子機電系統傳感界面、光增強化學晶體管小分子檢測平臺✒️，研究成果分別發表在Science Advances (2023, doi: 10.1126/sciadv.adj0839)、Nature Protocols (2023, 18, 2313-2348)🧑🏼‍🔬、Journal of the American Chemical Society (2023, 145, 10035-10044)上👩‍👩‍👦。

此外，團隊還構建了基於超級電容式的電化學有機晶體管🪡🌴，通過對神經遞質信號（乙酰膽堿）的響應與記憶🤦‍♂️，實現了高效的化學通訊🩻，研究成果在Nano Letters (2023, 23, 4974-4982)上發表題為“Highly Bionic Neurotransmitter-Communicated Neurons Following Integrate-and-Fire Dynamics”的文章；發展了一種電場增強石墨烯晶體管，實現了對於結核桿菌🦹、COVID-19病毒和鼻病毒的高靈敏快速檢測🏓，研究成果以“Accurately Detecting Trace-Level Infectious Agents by an Electro-Enhanced Graphene Transistor”為題發表在Advanced Functional Materials (2023, 33, 2300151)上；構建了一類新型的基於人工核苷酸適配體的石墨烯場效應晶體管傳感器(AN-Apta-FET)，實現了肝癌細胞外泌體的高特異性、高靈敏性檢測🙍🏼，並在Analytical Chemistry (2023, 95, 1446-1453)上發表題為“Artificial Nucleotide Aptamer-Based Field-Effect Transistor for Ultrasensitive Detection of Hepatoma Exosomes”的文章; 開發了用於超靈敏miRNA檢測的催化發夾組裝增強石墨烯晶體管，相關成果以“Catalytic Hairpin Assembly-Enhanced Graphene Transistor for Ultrasensitive miRNA Detection”為題發表在期刊Analytical Chemistry (2023, 95, 13281-13288)上。

由於系列成果🧙🏼‍♂️，團隊受邀在Science China Materials (DOI: 10.1007/s40843-023-2589-9)期刊上發表觀點文章“Two-dimensional transistor sensors for biomedical detection”和Advanced Functional Materials (2023, 33, 2301948)上發表題為“Graphene Transistors for In Vitro Detection of Health Biomarkers” 的綜述論文，系統總結了石墨烯在精準醫療中遇到的技術挑戰及應對策略，同時也受邀在The Journal of Physical Chemistry Letters (2023, 14, 4087-4095)上發表題為“Electrical Nano Biosensors for Nucleic Acid-Based Diagnostics”的綜述論文。

1. 構築在晶體管上的閉環催化納米反應系統 | Science Advances

多酶級聯反應廣泛用於高附加值的藥物、化學品👨‍👨‍👦、材料或燃料的合成🚒。如何在納米或者分子尺度上操控級聯反應🐨，是實現高催化效率的關鍵🛥。盡管目前多酶級聯納米反應器能夠在納米甚至分子水平上控製級聯反應過程。由於缺乏監測功能與實時調控“二合一”閉環的一體化集成平臺🍼，這類納米反應器還無法實現對反應過程的精準調控。

近日🛍️，沐鸣娱乐魏大程團隊在《科學-進展》 Science Advances期刊上發表題為“A Closed-loop catalytic nanoreactor system on transistor”的文章（DOI：10.1126/sciadv.adj0839）。該研究通過DNA框架結構在晶體管界面構築了多酶級聯催化納米反應器，發現了晶體管界面處的電-化學雙向場調控效應（inter-electro-chemical gating effect）⏭🤵🏿，實現了在分子尺度上對酶級聯催化反應的實時監控和電學調控。該工作在晶體管表面構建了集納米反應器、調節器和監測器為一體的納米化學實驗室🧜🏻‍♂️，在納米尺度上對多級酶聯催化反應進行了閉環控製。

該研究發現，施加一定的正柵極電壓時可以增強酶的催化活性，而施加一定的負柵極電壓時則可以抑製酶的催化活性，而這一現象可通過基於顯色反應的酶促動力學來表征💸。結果顯示，在0.3V柵極電壓下，晶體管界面上酶催化活性是在溶液狀態下的343倍。由於納米反應系統的高催化效率🧑🏼‍🍳❌，團隊將該系統用於了前列腺癌標誌物肌氨酸的檢測，能有效區分前列腺癌與前列腺肥大患者的血清樣本🦸🏻，顯示出在疾病精準診斷領域的應用前景🤵🏻‍♂️。本項目提出的閉環多級酶聯納米反應系統對化學向精準化、智能化發展具有推動作用👄。

沐鸣开户魏大程研究員為論文通訊作者，主持了該研究。沐鸣开户👨🏻‍🦽、聚合物分子工程國家重點實驗室博士後王學軍，上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院夏斌彬👨‍🏫，北京航空航天大學郝壯為該文章的共同第一作者。上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院董柏君教授為共同通訊作者。沐鸣娱乐分子材料與器件實驗室劉雲圻院士🔴、新加坡國立大學Andrew T. S. Wee院士等對本研究提供了支持🎸🍹。該研究工作得到了國家重點研發計劃🙆🏿‍♀️、國家自然科學基金、上海市科委和沐鸣娱乐的資助。

2. 基於DNA“分子機電系統”的晶體管傳感界面設計 | Nature Protocols

晶體管作為一種新興的通用型電學傳感器平臺，具有無標記檢測、高靈敏👨🏼‍🍳、快速響應、高便攜性等優點👨‍🦰。然而，由於復雜的生物樣本中大量背景物質的幹擾以及德拜長度的限製🧑🏿‍🔧👨‍🎓，很難實現對痕量標誌物的高靈敏檢測🏊‍♀️。針對這一關鍵科學問題🧑🏼‍🦲，魏大程團隊提出了分子機電系統(MolEMS)概念，即一種通過DNA分子自組裝而成🐭，通過外電場驅動，能精準調控分子識別和信號轉化過程，解決了晶體管傳感界面高靈敏和抗汙染特性的製約，實現了復雜樣本痕量標誌物的檢測🤽🏿。2023年5與20日📎，相關傳感界面設計方法以“Molecular-electromechanical system for unamplified detection of trace analytes in biofluids”為題發表在《自然-實驗手冊》（Nature Protocols 2023, 18, 2313-2348）期刊上🏸。

該實驗手冊介紹了基於分子機電系統思想的晶體管傳感界面設計原理，闡述了其工作機製以及製備和表征手段。該技術具有較高的普適性，對不同種類標誌物（核酸、蛋白、離子、小分子）以及不同樣本環境（緩沖液🧑🏼‍🦲、血清）能實現檢出限最低5×10-19摩爾每升的檢測。最後，實驗手冊介紹了晶體管型傳感器便攜式檢測系統，實現了臨床病原體樣本的快速👦🏽、精準、自動化檢測📮。

沐鸣开户、聚合物分子工程國家重點實驗室博士後王學軍為該文章的第一作者。沐鸣开户魏大程研究員為通訊作者🤺。沐鸣娱乐分子材料與器件實驗室劉雲圻院士等對本研究提供了支持。該研究工作得到了國家重點研發計劃🧑‍🤝‍🧑、國家自然科學基金、上海市科委和沐鸣娱乐的資助。

3. 光增強化學晶體管平臺用於小分子超靈敏檢測 | Journal of the American Chemical Society

化學晶體管是一種很有前途的傳感器平臺，具有無標記檢測、快速響應👩🏻‍💼、生物相容性、高便攜性和用戶友好性等優點。傳統晶體管傳感器對小分子的靈敏檢測依賴於小分子本身的電荷性質💆🏽‍♂️。然而，大多數小分子是中性的，這意味著它們很難通過晶體管實現超靈敏的檢測。

研究團隊發現了光化學柵壓效應，並基於該效應研發了一種光增強的化學晶體管檢測平臺，提升了化學晶體管小分子檢測靈敏度，能夠檢測濃度低至10-19M的中性分子甲基乙二醛🎪，比現有技術低約5個數量級。相關工作以“Photo-Enhanced Chemo-Transistor Platform for Ultra-Sensitive Assay of Small Molecules”為題發表在美國化學會誌Journal of the American Chemical Society (2023, 145, 10035-10044)上🦙。

研究發現，在石墨烯通道上修飾光敏多孔COFTP-py材料🏛，可以獲得光增強化學晶體管傳感器🦓🤦🏿‍♀️。COFTP-py的微孔結構具有較大的比表面積🩻，可以有效識別小分子♓️，同時防止石墨烯通道被汙染。在光照射下，含有豐富芘基團的COFTP-py吸收光並產生豐富的光電子，從而引入光柵調控機製🧝‍♂️。在光照下🫧，光柵和化學柵的協同效應增強了化學晶體管在小分子識別時的電流響應。通過這種策略💆🏼‍♂️，該傳感器可以在4分鐘內能夠區分糖尿病小鼠和健康小鼠的血清樣本👩‍🔬🛼。光增強策略克服了化學晶體管在檢測小分子或其他具有弱摻雜效應的物質方面的局限性↪️，這可能使晶體管傳感器成為生物學和醫學應用中分子測定的通用平臺🌤。

沐鸣娱乐聚合物分子工程國家重點實驗室🧓、沐鸣开户碩士生王乾坤、艾昭琳為共同第一作者；沐鸣娱乐魏大程研究員為通訊作者。沐鸣娱乐分子材料與器件實驗室劉雲圻院士、新加坡國立大學Andrew T. S. Wee院士🤟、沐鸣开户系丁建東教授和俞麟教授等對本研究提供了支持📪。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金☝️、上海市科委和沐鸣娱乐的資助。