據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，西蒙弗雷澤大學(xué)（SimonFraserUniversity，簡(jiǎn)稱SFU）的研究人員開發(fā)了一款基于非對(duì)稱幾何MoS2（二硫化鉬）二極管的生物傳感器，用于無(wú)標(biāo)記、快速且高靈敏的特異性檢測(cè)腫瘤壞死因子-α（TNF-α，一種促炎細(xì)胞因子）。

該傳感器由腫瘤壞死因子-α結(jié)合寡核苷酸適配子功能化，以檢測(cè)濃度低至10 fMol（飛摩爾）的腫瘤壞死因子-α，該濃度水平遠(yuǎn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)讀出。該二極管傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是制造工藝和電子讀數(shù)簡(jiǎn)單，因此，它有潛力應(yīng)用于快速且易于使用的即時(shí)診斷（POCT）工具。

細(xì)胞因子是在調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)中起重要作用的小蛋白。常見(jiàn)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(biāo)志物，已引起人們的關(guān)注。細(xì)胞因子濃度的異常變化是失控炎癥反應(yīng)的一個(gè)指標(biāo)，與阿爾茨海默病、癌癥、肺結(jié)核、自身免疫性疾病和心血管疾病有關(guān)。

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

有研究表明，細(xì)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(jiān)測(cè)和檢測(cè)炎癥細(xì)胞因子水平的早期變化對(duì)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(nèi)。而兒童血清水平可低至12 fMol。因此，在飛摩爾范圍內(nèi)的檢測(cè)限（LOD）在早期診斷應(yīng)用中非常重要。

圖1顯示了使用不對(duì)稱幾何MoS2二極管的細(xì)胞因子測(cè)量程序。圖1a展示的血液樣本是如何在血液樣本中測(cè)量腫瘤壞死因子-α濃度的概念說(shuō)明。該傳感器由二維半導(dǎo)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(gè)Cr/Au（鉻/金）電極?；谠恿︼@微鏡（AFM）測(cè)量，典型的MoS2厚度在13 nm~60 ?nm之間。

圖1 細(xì)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(huán)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(guò)1-1'羰基二咪唑（CDI）連接體的附著，隨后腫瘤壞死因子-α結(jié)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(diǎn)偶聯(lián)，（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(biāo)志物受體，因?yàn)樗c目標(biāo)分析物腫瘤壞死因子-α特異性結(jié)合，并且有可能重復(fù)使用。為了促進(jìn)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(guò)熒光光譜法驗(yàn)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(méi)有適配體功能化情況下獲得的熒光光譜測(cè)量結(jié)果。在裸樣品中不存在熒光染料的發(fā)射光譜（525 nm處的峰值發(fā)射）。圖2d的插圖顯示了傳感器功能化前后的光學(xué)圖像。

圖2 非對(duì)稱幾何二極管傳感器的功能化

單個(gè)裝置的電流-電壓響應(yīng)隨細(xì)胞因子濃度的變化如圖3b（對(duì)數(shù)尺度）所示。隨著細(xì)胞因子濃度的增加，整流系數(shù)（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(jìn)行了液體門控測(cè)量，以支持該檢測(cè)機(jī)制。圖4c顯示了漏極和源極（IDS）Au（金）觸點(diǎn)之間的電流-電壓響應(yīng)，該響應(yīng)是二極管傳感器在負(fù)柵源電壓（VGS）從0遞減到?1V時(shí)獲得的，通過(guò)將一滴純磷酸鹽緩沖溶液施加到傳感區(qū)域。電流-電壓響應(yīng)顯示電流在?0.75V和0V電壓之間有明顯波動(dòng)?，研究人員認(rèn)為這是由于磷酸鹽緩沖溶液存在的緣故，因?yàn)榭諝庵械碾娏?電壓響應(yīng)沒(méi)有顯示這種現(xiàn)象。

圖4 檢測(cè)機(jī)制

綜上所述，研究人員提出了一種基于非對(duì)稱幾何MoS2二極管傳感器檢測(cè)腫瘤壞死因子-α的方法，檢測(cè)濃度低至10 fMol，并結(jié)合了10 fMol至1? nMol的寬動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍。

通過(guò)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(cè)量腫瘤壞死因子-α的電流-電壓響應(yīng)曲線。該論文介紹的傳感器在使用簡(jiǎn)單的雙電極設(shè)計(jì)，快速檢測(cè)腫瘤壞死因子-α的飛摩爾濃度方面顯示出良好的結(jié)果，使其適用于易使用和快速的即時(shí)檢測(cè)。







審核編輯：劉清