电场调控适核酸适配体-石墨烯场效应管修饰密度

来源：ACS美国化学会

近日，哈尔滨工业大学潘昀路教授团队与美国哥伦比亚大学 Qiao Lin教授合作，报道了一种通过引入电场来提高核酸适配体-石墨烯场效应管(A-GFET)纳米生物传感器上联结分子(1-Pyrenebutyric acid N-hydroxysuccinimide ester, PASE)修饰密度的方法。相关研究成果近期作为封面文章发表在 ACS Sensors 期刊上，哈尔滨工业大学郝壮讲师为本文的第一作者。

核酸适配体-石墨烯场效应管(A-GFET)纳米生物传感器结合了核酸适配体探针(Aptamer)的高选择性与石墨烯场效应晶体管(Graphene field effect transistor, GFET)的高灵敏度等优点，在疾病标志物检测设备的开发领域具有重要应用价值。基于核酸适配体探针(Aptamer)的生物传感器其灵敏度与敏感元件表面修饰的 Aptamer 密度直接相关，对于A-GFET传感器而言，Aptamer一般需要通过含有芳香环结构的联结分子，如1-芘丁酸N-羟基琥珀酰亚胺酯(1-Pyrenebutyric acid N-hydroxysuccinimide ester, PASE)等锚固在石墨烯表面。因此，提高 PASE 的修饰密度即可间接提高Aptamer的修饰密度，对改善A-GFET传感器的检测灵敏度有着积极的影响。图1. PASE分子“电场修饰法”的原理示意图与测试结构照片

本文报道了一种“电场修饰法”(图1)来提高核酸适配体-石墨烯场效应管(A-GFET)纳米生物传感器上PASE修饰密度。该团队研究人员发现PASE是一种极性有机分子，其正负电荷中心并不重合，而芘基结构为电子富集体，也是PASE分子的负电荷几何中心。在传统的修饰过程中，PASE溶液滴加在石墨烯表面，此时PASE分子在溶液中的排布是随机无序的。当通过插入溶液中的外置Ag/AgCl栅电极施加一个负电场时，由于静电感应作用，在石墨烯内部会出现等量的正电荷。此时PASE分子由于静电排斥作用有序地按照负电荷中心芘基在下、正电荷中心N-羟基琥珀酰亚胺基团在上的方向排列，并且由于石墨烯内部正电荷的吸引作用，使得在石墨烯附近的PASE分子更容易与其接触，继而增大了PASE分子修饰的成功几率，增加了PASE的修饰密度。随后研究人员还对施加电场强度与PASE修饰密度的增量之间的关系进行了定量分析(图2)。图2. 外加电场对PASE修饰密度的影响

同时，为了验证“电场修饰法”改善Aptamer修饰密度会对A-GFET的蛋白分子检测性能提升有着积极的影响，研究人员对使用“电场修饰法”前后的A-GFET分别对磷酸盐溶液和人体尿液中的蛋白分子白细胞介素-6和胰岛素的检测进行了测试。从图3、4中可以明显看出，采用“电场修饰法”后的A-GFET在不同检测溶液环境中对白细胞介素-6和胰岛素的最低检测极限都得到了明显改善。

该工作得到了中国博士后基金、黑龙江省博士后基金、教育部重点实验室开放课题、美国国家科学基金会与美国卫生研究院等的资助。