生命體中與健康相關的一些標誌物丰度，特別是在某些疾病早期，往往很低。在複雜的生物液體中，檢測痕量標誌物會受到大量背景物質的干擾。因此，實現生物液體中的精準檢測對於生物研究、精準醫療和疾病早期診斷具有重要意義。
近日，復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程國家重點實驗室魏大程課題組研發了一種基於“分子機電系統”(MolEMS)的晶體管傳感芯片，該成果以“在未擴增樣本中快速、超靈敏機電檢測離子、生物分子和新冠病毒RNA”（Rapid and ultrasensitive electromechanical detection of ions, biomolecules and SARS-CoV-2 RNA in unamplified samples）為題發表於《自然生物醫學工程》（Nature Biomedical Engineering）。
據介紹，在智能傳感應用領域，此前，微機電系統(MEMS)將微米級機械組件與微電子芯片集成，把機械、化學、生物等信號轉換為電信號，具有高集成、價格低廉等特點，已經實現了廣泛的商業應用。納米機電系統(NEMS)將組件尺寸進一步縮小到納米量級，在降低成本、體積和功耗的同時極大提高了靈敏度，通過與場效應晶體管等功能元件的集成實現了生物傳感應用。
然而，與微/納米機電系統相比，生物體對某些環境信號的響應過程由一些生物分子精準操縱，往往具有高於人工系統的傳感性能。因此，開發具有更高精準度的機電系統對於實現痕量生物標誌物檢測具有重要意義。
魏大程課題組長期致力於研究新型晶體管材料、器件及其在生物、化學和光電傳感等領域的應用。他們提出的“分子機電系統”(MolEMS)，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的微型裝置(圖1)。通過將分子機電系統組裝到石墨烯場效應晶體管上，其剛性底座有助於避免污染物的非特異性吸附；外電場驅動柔性適配體懸臂發生運動，使傳感過程更加接近晶體管溝道，顯著提升了靈敏度。在緩衝溶液或生物液體中實現了金屬離子(Hg2+)、蛋白質(Thrombin)、生物小分子(ATP)以及新冠病毒核酸(RNA和cDNA)的超靈敏檢測。檢測新冠病毒核酸樣本不需要複雜耗時的核酸提取和擴增過程，檢出限最低達10～20拷貝每毫升，檢測時間小於4分鐘，優於現有新冠核酸PCR檢測方法。
圖1. (a)微/納米機電系統示意圖；(b)分子機電系統示意圖；(c-e)基於分子機電系統的晶體管傳感器及芯片圖片；(g-f)傳感芯片的共聚焦熒光顯微鏡和原子力顯微鏡表徵圖片。
相對於微/納米機電系統，分子機電系統實現了對傳感過程更加精準的調控，為構築高精度人造功能系統、實現痕量生物標誌物檢測應用提供了新思路。
復旦大學聚合物分子工程國家重點實驗室和高分子科學系分別為論文第一和第二單位；復旦大學魏大程主持了該研究項目；復旦大學王麗倩博士、王學軍博士、吳雲根博士生、郭明權博士為共同第一作者；復旦大學劉雲圻院士、謝幼華教授、上海交通大學樊春海院士等參與了該研究。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市科委，復旦大學和聚合物分子工程國家重點實驗室的合力支持。
圖2. 魏大程課題組合影。