基于量子點(diǎn)的的小蛋白受體電化學(xué)生物傳感器芯片研究

近日，華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院劉歡教授團(tuán)隊和生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張后今教授團(tuán)隊的合作研究成果發(fā)表在微流控和微制造領(lǐng)域頂級期刊Lab on a Chip，并入選為期刊封面論文，題為“A miniprotein receptor electrochemical biosensorchip based on quantum dots”，華中科技大學(xué)為論文第一和通訊單位，劉歡和張后今為論文共同通訊作者，集成電路學(xué)院2019級博士趙雨農(nóng)和生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2020級碩士韓娟為論文共同第一作者。

在生物傳感器的設(shè)計和制備中，抗體的成本高，儲存條件嚴(yán)格，耐久性有待提升，難以滿足生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域日益增長的需求。人工受體分子具有體積小、制備簡便、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，對生物傳感器的研發(fā)具有重要研究意義和應(yīng)用價值。

針對上述問題，華中科技大學(xué)各團(tuán)隊合作開展跨學(xué)科交叉研究，采用新冠病毒蛋白人工受體代替?zhèn)鹘y(tǒng)抗體蛋白質(zhì)，圍繞分子識別與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，開展量子點(diǎn)電化學(xué)傳感器材料-器件的工藝協(xié)同優(yōu)化設(shè)計，構(gòu)建了單片集成式電化學(xué)生物傳感芯片（圖1），融合量子電容敏感效應(yīng)和晶體管電流放大原理于一體，同時，基于器件平臺發(fā)展出量子點(diǎn)生物傳感反應(yīng)動力學(xué)研究手段。

圖1 量子點(diǎn)生物傳感芯片

圖2 量子點(diǎn)生物傳感芯片制備與檢測方法

膠體量子點(diǎn)具有顯著的表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，在氣體分子、金屬離子等生化傳感器研究中已展現(xiàn)出獨(dú)特的敏感效應(yīng)。該工作瞄準(zhǔn)合成生物學(xué)領(lǐng)域研究前沿，利用從頭設(shè)計的新冠刺突蛋白人工受體替代傳統(tǒng)抗體，人工受體尺寸約3 nm，相對分子質(zhì)量約6.81 kDa。通過膠體量子點(diǎn)對人工受體的標(biāo)記，構(gòu)建特異性分子識別機(jī)制和電信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制（圖2），結(jié)合高電子遷移率場效應(yīng)晶體管實現(xiàn)片上信號放大。隨著刺突蛋白濃度增加，量子點(diǎn)-柵極耦合電容變化幅度逐漸增強(qiáng)，表明刺突蛋白的結(jié)合可有效改變耦合電容，基于量子電容效應(yīng)的獨(dú)特增敏機(jī)制，靈敏度相較于平面三電極器件提升了3個數(shù)量級，對目標(biāo)抗原蛋白的檢測下限為0.013 fM（圖3）。這些結(jié)果為進(jìn)一步開發(fā)和利用人工受體分子、量子點(diǎn)人工原子等新材料構(gòu)建高性能生化傳感芯片打下基礎(chǔ)。

圖3 量子點(diǎn)生物傳感芯片微觀結(jié)構(gòu)及其檢測性能

審核編輯：劉清