細胞因子是協(xié)調(diào)人體免疫反應的關(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，是臨床評估患者健康狀況的重要生物標志物。在呼吸系統(tǒng)疾病中，病毒通過呼吸道進入人體后，免疫系統(tǒng)分泌各種調(diào)節(jié)炎癥的細胞因子，能夠刺激、集中和擴增免疫細胞。TNF-α作為一種典型的促炎類型細胞因子，在人體的免疫反應中尤為重要。通過監(jiān)測汗液中的TNF-α濃度，可以有效地評估機體的免疫狀態(tài)。傳統(tǒng)的檢測方法，例如免疫熒光法和酶聯(lián)免疫吸附法，往往需要復雜的操作和較長的時間進行檢測，限制了其大規(guī)模應用。因此，發(fā)展可穿戴傳感器，實現(xiàn)對于痕量蛋白的檢測，成為新的研究熱點。基于二維材料(如MoS2和石墨烯)的場效應晶體管傳感器因其無標記、快速響應和高靈敏度等優(yōu)點而備受關(guān)注，在人體代謝物和離子檢測方面得到了初步應用。然而，在真實的檢測中，人體外分泌液(如汗液)中雜質(zhì)分子的存在會嚴重干擾痕量蛋白的有效檢測。因此，開發(fā)能夠直接檢測未稀釋汗液中細胞因子的可穿戴設(shè)備成為臨床研究的焦點。

日前，哈爾濱工業(yè)大學的潘昀路、胡平安教授團隊，設(shè)計開發(fā)了一種具有自動汗液輸送、雜質(zhì)隔離和可重復使用功能的高靈敏度柔性監(jiān)測系統(tǒng)——納米陣列二硫化鉬場效應管(NM-FET)。該系統(tǒng)將具有逐步潤濕性表面的納米陣列和用Nafion/適配體修飾的場效應管傳感器進行集成，該系統(tǒng)可檢測真實汗液中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》，并被選為當期封面。文章共同第一作者為哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院助理研究員黃聰、2023級博士生楊煒嵩、2021級博士生王昊、2018級博士生黃穗楚。

圖文解讀

該NM-FET檢測系統(tǒng)主要由兩部分組成:具有逐步潤濕性表面的納米陣列和經(jīng)Nafion/適配體修飾的場效應管。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)域的潤濕性變化能夠讓汗液在測試地點實現(xiàn)自動收集和運輸。此外，二硫化鉬場效應管部分通過在MoS2材料表面上使用Nafion作為適配體的依附位點進行修飾，使得場效應管具有可回收性。同時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檢測系統(tǒng)通過自動汗液收集/過濾以及真實汗液中痕量蛋白的高靈敏度檢測，可實現(xiàn)對人體免疫狀態(tài)變化的實時監(jiān)測。

圖1 NM-FET的原理圖概述

NM-FET的制備和特性表征

NM-FET中主要包括兩個部分：場效應管和納米陣列。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)域為MoS2，藍色區(qū)域為Au電極，綠色區(qū)域為襯底。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，這說明氧離子刻蝕導致納米陣列表面氧化物的增加。測量MoS2表面修飾Nafion和適配體后的轉(zhuǎn)移特性曲線，通過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中場效應管的電學性能

為了評估不同批次NM-FET的性能穩(wěn)定性，測試多個批次場效應管傳感器的轉(zhuǎn)移特性曲線，發(fā)現(xiàn)其顯示出較為良好的一致性。為驗證人體溫度變化對NM-FET的影響，場效應管測試了溫度范圍30°-70°的電學性能，其轉(zhuǎn)移特性曲線的電流只從3.99 μA降低到3.7 μA。NM-FET在室溫非密封條件下存儲六周，每周測試NM-FET的轉(zhuǎn)移特性曲線，其電流變化率僅為4.42%。以上結(jié)果說明制造批次，溫度以及長時間存儲對NM-FET系統(tǒng)的電學性能影響較小。為了驗證NM-FET柔性基底的抗形變能力，利用彎曲、折疊和皺縮來測試每次變形后NM-FET的電學特性變化，結(jié)果表明NM-FET在經(jīng)歷形變后仍能保持較高的電學穩(wěn)定性。

圖3 NM-FET中場效應管組成部分的電學性能

納米陣列的液體運輸能力

為了實現(xiàn)汗液自動收集和輸送功能，探究了旋涂不同濃度FDTS以及氧離子刻蝕時間對納米陣列表面接觸角的影響。當納米陣列未旋涂FDTS時，表面接觸角約為32.32°，此時納米陣列表面不親水也不疏水。而經(jīng)過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)域進行氧離子刻蝕，將其轉(zhuǎn)化為高親水性表面，從而實現(xiàn)納米陣列表面的階梯式潤濕性。從通道的正/反方向模擬汗液采集運輸，由于汗液通道的收集區(qū)與檢測區(qū)存在形狀和大小上的差異，液體只會正向從收集區(qū)自動運輸?shù)綑z測區(qū)，驗證通道自動單向輸送汗液的能力。

圖4 NM-FET中具有逐步潤濕性的納米陣列

NM-FET系統(tǒng)的檢測能力和可回收性

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

圖5 TNF-α蛋白的檢測及NM-FET的循環(huán)使用

對納米生物傳感器而言，能夠?qū)φ鎸嵀h(huán)境中人體分泌物樣本實現(xiàn)直接檢測至關(guān)重要。首先采用ELISA測定了汗液和血液中TNF-α蛋白濃度的關(guān)系。其次NM-FET檢測系統(tǒng)對Nafion和適配體單獨修飾和使用Nafion/適配體多步修飾進行性能比較，驗證了Nafion/適配體多步修飾對于TNF-α蛋白檢測的有效性。采用IL-6、IFN-γ和CTNI蛋白與TNF-α蛋白進行對比測試，驗證了該特定序列適配體對TNF-α蛋白的特異性。最后，使用NM-FET系統(tǒng)進行真實人體汗液測試以及單一濃度連續(xù)監(jiān)測。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；在20小時連續(xù)監(jiān)測時，NM-FET檢測系統(tǒng)的電流保持相對穩(wěn)定，說明NM-FET具有一定的連續(xù)監(jiān)測能力。

圖6 NM-FET系統(tǒng)對真實汗液樣本的檢測能力

總結(jié)展望

作者將具有逐步潤濕性表面的納米陣列，雜質(zhì)隔離的Nafion隔離層以及超薄、超柔性基底等進行結(jié)合，開發(fā)了納米陣列二硫化鉬場效應管(NM-FET)，具有汗液自動收集運輸、雜質(zhì)多層隔離、高靈敏度蛋白檢測以及可重復使用等多種功能，NM-FET可以有效分析真實汗液樣品中的TNF-α蛋白濃度，有望在臨床應用中實時監(jiān)測人體汗液中TNF-α蛋白水平。

來源：高分子科學前沿

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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原標題：《【復材資訊】哈工大潘昀路、胡平安教授ACS Nano：柔性可穿戴式場效應管傳感器用于汗液中痕量蛋白的直接檢測》