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”為題發表於《自然生物醫學工程》（NatureBiomedicalEngineering）。

核酸檢測是目前世界上檢測新冠病毒的標準方法，但結果返回通常需要至少幾個小時。由於具有高度傳染性的新冠變異毒株導致病例呈指數級激增，一些國家在面對大規模核酸檢測需求時壓力驟增。因此，各國科學家們一直在努力開發新的檢測方法以試圖縮短這一過程所需的時間。

近日，復旦大學魏大程團隊提出“分子機電系統”，實現精準生物檢測。

研究團隊表示，這種新方法不但檢測速度快、具有超高的靈敏度，而且還操作簡單，便於攜帶。因此，它可以應用在任何地方。

在測試新設備的實驗中，研究人員測試了33個來自核酸檢測呈陽性的新冠感染者的鼻咽拭子樣本、23個來自發燒但核酸檢測呈陰性的患者樣本，以及來自健康志願者的25個樣本。所有臨床樣本均經過加熱過程釋放核酸，然後直接進行檢測，無需核酸提取或擴增。

結果顯示，新設備在約0.1-4分鐘內檢測到新冠病毒，與qRT-PCR檢測結果完全一致。不但沒有假陰性結果，而且還比傳統核酸檢測的速度快得多。

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。

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復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。

(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。

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。