研究背景
全电学检测生物分子，尤其是核酸，对于基因表达研究、药物基因组学、药物发现和分子诊断非常有意义。基于场效应晶体管（FET）的核酸检测作为无标记和高灵敏度的生物分子传感平台已引起了极大的关注，可以轻易地与其他电子元件集成在一起，例如数据分析仪和信号转换器等。
二维材料（例如石墨烯）因其独特的特性（如双极性场效应、高载流子迁移率、生物相容性、机械强度和柔韧性）而备具吸引力。2D材料具有极小的厚度和极高的比表面积，因此在检测带电生物分子时具有很高的灵敏度。同时，与常规CMOS制造工艺的兼容性是使用2D材料的另一个潜在优势。CVD方法生长的大面积石墨烯已用于电子系统中，例如用于生物传感的FET器件，包括检测pH、微生物、血糖、蛋白质以及核酸（DNA或RNA）等。目前的一些研究报告展示了在aM水平检测DNA和RNA，但是背景噪声水平很高，并且缺乏可靠的控制。对于检测来自未扩增样品的非常稀有的分子，例如微RNA（miRNA）或无细胞DNA（cfDNA），非常需要更高的灵敏度。
成果介绍
有鉴于此，近日，伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校Rashid Bashir和Narayana R. Aluru（共同通讯作者）合作报道了使用具有变形单层石墨烯沟道的FET，实现了高灵敏度的核酸检测。这些具有毫米级沟道的器件在低至600 zM和20 aM的缓冲液和人血清样本中显示出超高灵敏度，分别达到~18和~600核酸分子。计算模拟表明，纳米级形变可在传感沟道中形成“电热点”，从而减少了凹区的电荷屏蔽。此外，变形的石墨烯可以表现出带隙，允许少量电荷使源-漏电流呈指数变化。总的来说，这些现象允许在毫米级结构中进行超灵敏的电子生物分子检测。文章以“Ultrasensitive detection of nucleic acids using deformed graphene channel field effect biosensors”为题发表在著名期刊Nature Communications上。
图文导读
图1. 平坦和褶皱石墨烯FET生物传感器的示意和表征。（a） 平坦（左）和褶皱（右）石墨烯FET DNA传感器的截面图。探针（黑色）和靶向（红色）DNA链固定在石墨烯表面。蓝色点线表示离子溶液中的德拜长度，并且长度在褶皱石墨烯的凸区域处增加，因此在德拜长度内有更多的区域DNA，这使褶皱石墨烯更容易受到DNA负电荷的电影响。插图框表示K空间中的定性能量图，石墨烯没有固有的带隙，但是褶皱石墨烯可能会打开带隙。（b）FET的制备和实验流程。将预应变PS衬底上的石墨烯在110°C退火，以收缩衬底并使石墨烯褶皱。然后，施加源极和漏极，并使用溶液顶栅。在平坦石墨烯FET的情况下，省略了退火工艺。（c）褶皱石墨烯的SEM图像。（d）褶皱石墨烯和PS衬底的拉曼光谱。（e）褶皱石墨烯FET的电荷转移特性，显示狄拉克点的偏移。（f）FET传感器的狄拉克点偏移与pH值的关系图。
总结与展望
本文以DNA和PNA作为探针，利用褶皱石墨烯FET电生物传感器，实现了高灵敏度的核酸分子检测。对褶皱石墨烯FET生物传感器的检测极限为600 zM，对于平坦石墨烯为2 pM。通过实验和模拟表明，纳米级弯曲和变形会增加离子溶液中的德拜长度，从而减少对DNA/RNA分子的屏蔽，从而与平坦石墨烯FET传感器相比，极大地提高了灵敏度。分子动力学模拟揭示了由于纳米级间隙和不包含离子的变形区域中的DNA分子而产生的巨大电势，并且在变形的石墨烯区中形成了带隙。同时，通过在未稀释的人血清中检测与癌症相关的miRNA的靶向分子证明了该技术的适用性。这项技术为开发更可靠、更高效的诊断工具以及用于早期检测各种人类疾病生物分子的电子定点照护和可植入生物传感器提供了机会。
文献信息
Ultrasensitive detection of nucleic acids using deformed graphene channel field effect biosensors
(Nat. Commun., 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-15330-9)
文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15330-9
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