生命體中與健康相關的一些標誌物豐度，特別是在某些疾病早期，往往很低。在復雜的生物液體中，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。

魏大程课题组长期致力于研究新型晶体管材料、器件及其在生物、化学和光电传感等领域的应用。他们提出的“分子机电系统”(MolEMS)，即一种通过DNA分子自组装而成，通过外电场驱动，能精准调控分子识别和信号转化过程的微型装置(图1)。通过将分子机电系统组装到石墨烯场效应晶体管上，其刚性底座有助于避免污染物的非特异性吸附；外电场驱动柔性适配体悬臂发生运动，使传感过程更加接近晶体管沟道，显著提升了灵敏度。在缓冲溶液或生物液体中实现了金属离子(Hg2+)、蛋白质(Thrombin)、生物小分子(ATP)以及新冠病毒核酸(RNA和cDNA)的超灵敏检测。检测新冠病毒核酸样本不需要复杂耗时的核酸提取和扩增过程，检出限最低达10～20拷贝每毫升，检测时间小于4分钟，优于现有新冠核酸PCR检测方法。

圖1. (a)微/納米機電系統示意圖；(b)分子機電系統示意圖；(ce)基於分子機電系統的晶體管傳感器及芯片圖片；(gf)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係統、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；復旦大學劉云圻院士、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。