細(xì)胞因子是協(xié)調(diào)人體免疫反應(yīng)的關(guān)鍵蛋白，廣泛存在于血液和組織液等內(nèi)分泌液以及唾液和汗液等外分泌液中，是臨床評(píng)估患者健康狀況的重要生物標(biāo)志物。在呼吸系統(tǒng)疾病中，病毒通過(guò)呼吸道進(jìn)入人體后，免疫系統(tǒng)分泌各種調(diào)節(jié)炎癥的細(xì)胞因子，能夠刺激、集中和擴(kuò)增免疫細(xì)胞。TNF-α作為一種典型的促炎類(lèi)型細(xì)胞因子，在人體的免疫反應(yīng)中尤為重要。通過(guò)監(jiān)測(cè)汗液中的TNF-α濃度，可以有效地評(píng)估機(jī)體的免疫狀態(tài)。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，例如免疫熒光法和酶聯(lián)免疫吸附法，往往需要復(fù)雜的操作和較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，發(fā)展可穿戴傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)于痕量蛋白的檢測(cè)，成為新的研究熱點(diǎn)。基于二維材料(如MoS2和石墨烯)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器因其無(wú)標(biāo)記、快速響應(yīng)和高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，在人體代謝物和離子檢測(cè)方面得到了初步應(yīng)用。然而，在真實(shí)的檢測(cè)中，人體外分泌液(如汗液)中雜質(zhì)分子的存在會(huì)嚴(yán)重干擾痕量蛋白的有效檢測(cè)。因此，開(kāi)發(fā)能夠直接檢測(cè)未稀釋汗液中細(xì)胞因子的可穿戴設(shè)備成為臨床研究的焦點(diǎn)。

日前，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的潘昀路、胡平安教授團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種具有自動(dòng)汗液輸送、雜質(zhì)隔離和可重復(fù)使用功能的高靈敏度柔性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)——納米陣列二硫化鉬場(chǎng)效應(yīng)管(NM-FET)。該系統(tǒng)將具有逐步潤(rùn)濕性表面的納米陣列和用Nafion/適配體修飾的場(chǎng)效應(yīng)管傳感器進(jìn)行集成，該系統(tǒng)可檢測(cè)真實(shí)汗液中10fM~1nM范圍變化的TNF-α蛋白濃度。相關(guān)工作以“Flexible/Regenerative Nanosensor with Automatic Sweat Collection for Cytokine Storm Biomarker Detection”為題發(fā)表在《ACS Nano》，并被選為當(dāng)期封面。文章共同第一作者為哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院助理研究員黃聰、2023級(jí)博士生楊煒嵩、2021級(jí)博士生王昊、2018級(jí)博士生黃穗楚。

圖文解讀

該NM-FET檢測(cè)系統(tǒng)主要由兩部分組成:具有逐步潤(rùn)濕性表面的納米陣列和經(jīng)Nafion/適配體修飾的場(chǎng)效應(yīng)管。納米陣列由直徑為1μm的聚苯乙烯微球組成。經(jīng)全氟葵基三氯硅烷(FDTS)處理和氧離子刻蝕后，納米陣列表面形成親/疏水區(qū)域。納米陣列表面不同區(qū)域的潤(rùn)濕性變化能夠讓汗液在測(cè)試地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收集和運(yùn)輸。此外，二硫化鉬場(chǎng)效應(yīng)管部分通過(guò)在MoS2材料表面上使用Nafion作為適配體的依附位點(diǎn)進(jìn)行修飾，使得場(chǎng)效應(yīng)管具有可回收性。同時(shí)NM-FET的超薄、超柔性基底，能夠承受一定程度的彎曲變形。NM-FET檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)汗液收集/過(guò)濾以及真實(shí)汗液中痕量蛋白的高靈敏度檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體免疫狀態(tài)變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 NM-FET的原理圖概述

NM-FET的制備和特性表征

NM-FET中主要包括兩個(gè)部分：場(chǎng)效應(yīng)管和納米陣列。納米陣列的SEM顯示微球大部分區(qū)域的排布方式呈現(xiàn)蜂窩狀，小部分區(qū)域的微球排布則存在缺陷。電極區(qū)域SEM中紅色區(qū)域?yàn)镸oS2，藍(lán)色區(qū)域?yàn)锳u電極，綠色區(qū)域?yàn)橐r底。使用FDTS旋涂納米陣列，XPS能譜顯示出明顯的F峰，證明了FDTS的成功修飾。使用氧離子刻蝕納米陣列表面，發(fā)現(xiàn)O/C峰值比增加到2.48，這說(shuō)明氧離子刻蝕導(dǎo)致納米陣列表面氧化物的增加。測(cè)量MoS2表面修飾Nafion和適配體后的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)，通過(guò)修飾前后的電流偏移變化，證明MoS2表面Nafion和適配體的成功修飾。

圖2 NM-FET的制備與表征

NM-FET中場(chǎng)效應(yīng)管的電學(xué)性能

為了評(píng)估不同批次NM-FET的性能穩(wěn)定性，測(cè)試多個(gè)批次場(chǎng)效應(yīng)管傳感器的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)其顯示出較為良好的一致性。為驗(yàn)證人體溫度變化對(duì)NM-FET的影響，場(chǎng)效應(yīng)管測(cè)試了溫度范圍30°-70°的電學(xué)性能，其轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)的電流只從3.99 μA降低到3.7 μA。NM-FET在室溫非密封條件下存儲(chǔ)六周，每周測(cè)試NM-FET的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)，其電流變化率僅為4.42%。以上結(jié)果說(shuō)明制造批次，溫度以及長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)對(duì)NM-FET系統(tǒng)的電學(xué)性能影響較小。為了驗(yàn)證NM-FET柔性基底的抗形變能力，利用彎曲、折疊和皺縮來(lái)測(cè)試每次變形后NM-FET的電學(xué)特性變化，結(jié)果表明NM-FET在經(jīng)歷形變后仍能保持較高的電學(xué)穩(wěn)定性。

圖3 NM-FET中場(chǎng)效應(yīng)管組成部分的電學(xué)性能

納米陣列的液體運(yùn)輸能力

為了實(shí)現(xiàn)汗液自動(dòng)收集和輸送功能，探究了旋涂不同濃度FDTS以及氧離子刻蝕時(shí)間對(duì)納米陣列表面接觸角的影響。當(dāng)納米陣列未旋涂FDTS時(shí)，表面接觸角約為32.32°，此時(shí)納米陣列表面不親水也不疏水。而經(jīng)過(guò)FDTS旋涂后，納米陣列表面接觸角迅速增大，形成高度疏水狀態(tài)。隨后，納米陣列表面選擇部分區(qū)域進(jìn)行氧離子刻蝕，將其轉(zhuǎn)化為高親水性表面，從而實(shí)現(xiàn)納米陣列表面的階梯式潤(rùn)濕性。從通道的正/反方向模擬汗液采集運(yùn)輸，由于汗液通道的收集區(qū)與檢測(cè)區(qū)存在形狀和大小上的差異，液體只會(huì)正向從收集區(qū)自動(dòng)運(yùn)輸?shù)綑z測(cè)區(qū)，驗(yàn)證通道自動(dòng)單向輸送汗液的能力。

圖4 NM-FET中具有逐步潤(rùn)濕性的納米陣列

NM-FET系統(tǒng)的檢測(cè)能力和可回收性

在真實(shí)檢測(cè)中，人體外分泌液中雜質(zhì)分子的存在會(huì)嚴(yán)重干擾蛋白的有效檢測(cè)。為了證實(shí)該檢測(cè)系統(tǒng)在不同溶液中的檢測(cè)能力，NM-FET分別在磷酸鹽緩沖溶液(PBS)、人工尿液和真實(shí)尿液中檢測(cè)，均表現(xiàn)出較為出色的檢測(cè)能力。適配體和蛋白結(jié)合后通常無(wú)法自行分離，因此大多數(shù)基于適配體檢測(cè)的傳感器是一次性的。而如果可將傳感區(qū)域進(jìn)行回收處理，即可實(shí)現(xiàn)傳感器的重復(fù)利用。由于Nafion可溶于酒精，將使用過(guò)的NM-FET浸入酒精，MoS2通道表面的Nafion溶解，即可恢復(fù)到原始MoS2通道狀態(tài)。隨后使用Nafion和適配體進(jìn)行另一輪修飾，可恢復(fù)NM-FET的檢測(cè)能力。對(duì)NM-FET進(jìn)行30次循環(huán)，每10次循環(huán)后測(cè)量MoS2表面的拉曼光譜，并使用修飾后的NM-FET進(jìn)行TNF-α濃度檢測(cè)。結(jié)果表明NM-FET可循環(huán)使用30次檢測(cè)周期，這有效提高了檢測(cè)系統(tǒng)的資源利用效率。

圖5 TNF-α蛋白的檢測(cè)及NM-FET的循環(huán)使用

對(duì)納米生物傳感器而言，能夠?qū)φ鎸?shí)環(huán)境中人體分泌物樣本實(shí)現(xiàn)直接檢測(cè)至關(guān)重要。首先采用ELISA測(cè)定了汗液和血液中TNF-α蛋白濃度的關(guān)系。其次NM-FET檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)Nafion和適配體單獨(dú)修飾和使用Nafion/適配體多步修飾進(jìn)行性能比較，驗(yàn)證了Nafion/適配體多步修飾對(duì)于TNF-α蛋白檢測(cè)的有效性。采用IL-6、IFN-γ和CTNI蛋白與TNF-α蛋白進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，驗(yàn)證了該特定序列適配體對(duì)TNF-α蛋白的特異性。最后，使用NM-FET系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)人體汗液測(cè)試以及單一濃度連續(xù)監(jiān)測(cè)。發(fā)現(xiàn)隨著TNF-α蛋白濃度從0到1nM的增加，電流始終呈上升趨勢(shì)；在20小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)，NM-FET檢測(cè)系統(tǒng)的電流保持相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明NM-FET具有一定的連續(xù)監(jiān)測(cè)能力。

圖6 NM-FET系統(tǒng)對(duì)真實(shí)汗液樣本的檢測(cè)能力

總結(jié)展望

作者將具有逐步潤(rùn)濕性表面的納米陣列，雜質(zhì)隔離的Nafion隔離層以及超薄、超柔性基底等進(jìn)行結(jié)合，開(kāi)發(fā)了納米陣列二硫化鉬場(chǎng)效應(yīng)管(NM-FET)，具有汗液自動(dòng)收集運(yùn)輸、雜質(zhì)多層隔離、高靈敏度蛋白檢測(cè)以及可重復(fù)使用等多種功能，NM-FET可以有效分析真實(shí)汗液樣品中的TNF-α蛋白濃度，有望在臨床應(yīng)用中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體汗液中TNF-α蛋白水平。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

論文鏈接：

Liu, L., Ji, Y., Bianchi, M. et al. A metastable pentagonal 2D material synthesized by symmetry-driven epitaxy. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01987-w

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原標(biāo)題：《【復(fù)材資訊】哈工大潘昀路、胡平安教授ACS Nano：柔性可穿戴式場(chǎng)效應(yīng)管傳感器用于汗液中痕量蛋白的直接檢測(cè)》