據麥姆斯咨詢報道，近日，西蒙弗雷澤大學（SimonFraserUniversity，簡稱SFU）的研究人員開發了一款基于非對稱幾何MoS2（二硫化鉬）二極管的生物傳感器，用于無標記、快速且高靈敏的特異性檢測腫瘤壞死因子-α（TNF-α，一種促炎細胞因子）。

該傳感器由腫瘤壞死因子-α結合寡核苷酸適配子功能化，以檢測濃度低至10 fMol（飛摩爾）的腫瘤壞死因子-α，該濃度水平遠低于健康血液中的典型濃度。寡核苷酸適配子和腫瘤壞死因子-α在傳感器表面的相互作用誘導傳感器表面能量的變化，從而改變MoS2二極管的電流-電壓整流行為，這可以使用雙電極結構讀出。該二極管傳感器的主要優點是制造工藝和電子讀數簡單，因此，它有潛力應用于快速且易于使用的即時診斷（POCT）工具。

細胞因子是在調節炎癥反應中起重要作用的小蛋白。常見于血液、唾液和汗液等生物流體，它們作為各種健康狀況和疾病的生物標志物，已引起人們的關注。細胞因子濃度的異常變化是失控炎癥反應的一個指標，與阿爾茨海默病、癌癥、肺結核、自身免疫性疾病和心血管疾病有關。

此外，2019年爆發新冠肺炎（COVID-19），其感染者伴隨著高水平促炎細胞因子的釋放，如白細胞介素（IL-1β和IL-6）和腫瘤壞死因子-α，這種現象被稱為細胞因子風暴。

有研究表明，細胞因子抑制劑是提高新冠肺炎生存率的有效治療方法。許多疾病的治療在早期階段最為有效。因此，監測和檢測炎癥細胞因子水平的早期變化對臨床診斷具有重要意義。

健康青年和成年人群中血清腫瘤壞死因子-α的水平通常在200 fMol ~300 fMol的范圍內。而兒童血清水平可低至12 fMol。因此，在飛摩爾范圍內的檢測限（LOD）在早期診斷應用中非常重要。

圖1顯示了使用不對稱幾何MoS2二極管的細胞因子測量程序。圖1a展示的血液樣本是如何在血液樣本中測量腫瘤壞死因子-α濃度的概念說明。該傳感器由二維半導體（2H相）多層MoS2晶體薄片組成，其頂部是熱氧化的SiO2（氧化膜厚度為300?nm），接觸兩個Cr/Au（鉻/金）電極。基于原子力顯微鏡（AFM）測量，典型的MoS2厚度在13 nm~60 ?nm之間。

圖1 細胞因子傳感器操作概念示意圖

該傳感器功能化的分步流程如圖2b所示。在低pH環境下，（縮水甘油氧丙基）三甲氧基硅烷（GOPS）在水溶液中耦合到Al2O3（三氧化二鋁）表面。

通過1-1'羰基二咪唑（CDI）連接體的附著，隨后腫瘤壞死因子-α結合適配體5’端胺與（縮水甘油氧丙基）三甲氧基硅烷活性位點偶聯，（縮水甘油氧丙基）三甲氧基硅烷被激活。

DNA適配體用作生物標志物受體，因為它與目標分析物腫瘤壞死因子-α特異性結合，并且有可能重復使用。為了促進適配體寡核苷酸在傳感表面上的耦合，研究人員將器件浸入10? μMol適配體的磷酸鹽緩沖溶液（PBS）中。

該研究使用的適配體寡核苷酸在3'端有熒光染料（FAM），因此可以通過熒光光譜法驗證適配體與傳感器是否成功耦合。

圖2d顯示了有適配體功能化和沒有適配體功能化情況下獲得的熒光光譜測量結果。在裸樣品中不存在熒光染料的發射光譜（525 nm處的峰值發射）。圖2d的插圖顯示了傳感器功能化前后的光學圖像。

圖2 非對稱幾何二極管傳感器的功能化

單個裝置的電流-電壓響應隨細胞因子濃度的變化如圖3b（對數尺度）所示。隨著細胞因子濃度的增加，整流系數（RF）升高。圖3c顯示了高電壓（線性刻度）下電流-電壓曲線的放大圖示。

圖3 傳感器性能

如圖4b所示，研究人員進行了液體門控測量，以支持該檢測機制。圖4c顯示了漏極和源極（IDS）Au（金）觸點之間的電流-電壓響應，該響應是二極管傳感器在負柵源電壓（VGS）從0遞減到?1V時獲得的，通過將一滴純磷酸鹽緩沖溶液施加到傳感區域。電流-電壓響應顯示電流在?0.75V和0V電壓之間有明顯波動?，研究人員認為這是由于磷酸鹽緩沖溶液存在的緣故，因為空氣中的電流-電壓響應沒有顯示這種現象。

圖4 檢測機制

綜上所述，研究人員提出了一種基于非對稱幾何MoS2二極管傳感器檢測腫瘤壞死因子-α的方法，檢測濃度低至10 fMol，并結合了10 fMol至1? nMol的寬動態檢測范圍。

通過稀釋的腫瘤壞死因子-α溶液與適配體功能化的傳感器表面相互作用，2分鐘獲得測量腫瘤壞死因子-α的電流-電壓響應曲線。該論文介紹的傳感器在使用簡單的雙電極設計，快速檢測腫瘤壞死因子-α的飛摩爾濃度方面顯示出良好的結果，使其適用于易使用和快速的即時檢測。







審核編輯：劉清