在醫(yī)療診斷和基因研究中，科學(xué)家一直夢想能像“讀取條形碼”那樣直接識別DNA和蛋白質(zhì)。傳統(tǒng)方法需要給分子貼上熒光標(biāo)簽，不僅步驟繁瑣，還可能改變分子本性。而本文發(fā)明的非晶硅離子敏感場效應(yīng)晶體管（a-Si:H ISFET），如同一把分子世界的“電子探針”，首次實(shí)現(xiàn)了無標(biāo)記、實(shí)時(shí)電子化檢測生物分子。

這種指甲蓋大小的芯片，能在玻璃基板上批量制造，成本僅為傳統(tǒng)硅芯片的1/10。其核心技術(shù)在于：當(dāng)DNA或蛋白質(zhì)靠近芯片表面的二氧化硅敏感層時(shí)，分子攜帶的電荷會像磁鐵般擾動(dòng)芯片的電場，導(dǎo)致電流閾值電壓發(fā)生偏移。通過監(jiān)測這種微小的電壓波動(dòng)（精度達(dá)毫伏級），就能判斷分子種類和濃度。

研究團(tuán)隊(duì)成功檢測到每平方厘米1皮摩爾（相當(dāng)于1根頭發(fā)絲上放600億個(gè)DNA）的DNA密度，對蛋白質(zhì)的檢測靈敏度達(dá)50納摩爾（1滴水中識別出50億分之一個(gè)蛋白質(zhì)分子）。這種技術(shù)將癌癥早期診斷、病毒快速檢測等應(yīng)用的檢測成本降低百倍，為便攜式“芯片實(shí)驗(yàn)室”鋪平了道路。

三大突破性亮點(diǎn)

雙模式分子識別

DNA身份認(rèn)證：芯片表面固定DNA探針后，當(dāng)互補(bǔ)DNA結(jié)合時(shí)，電壓閾值偏移28毫伏，而50%錯(cuò)配DNA僅偏移12毫伏，實(shí)現(xiàn)基因突變的精準(zhǔn)甄別。

蛋白質(zhì)無標(biāo)記抓捕：帶負(fù)電的綠色熒光蛋白（GFP）使電壓負(fù)偏65毫伏，帶正電的辣根過氧化物酶（HRP）則引發(fā)正偏145毫伏，形成“電荷指紋”。

表面化學(xué)魔術(shù)

通過膽汁酸清潔→硅烷化→硫醇接頭固定三步工藝，在芯片表面搭建“分子錨定點(diǎn)”。這種設(shè)計(jì)使DNA探針像“倒立的蘑菇”般直立排列，極大提升檢測效率。

電荷解碼新理論

顛覆傳統(tǒng)“直接測電荷”認(rèn)知，發(fā)現(xiàn)芯片實(shí)際檢測的是反離子云——帶負(fù)電的DNA會吸引正離子靠近芯片表面，形成電壓負(fù)偏。這一發(fā)現(xiàn)為新一代生物傳感器設(shè)計(jì)提供理論基石。

Unisense微電極實(shí)驗(yàn)全流程

核心裝備

Unisense銀/氯化銀微電極（圖1b實(shí)物圖）：

“直徑0.1毫米的微型探針（比頭發(fā)細(xì)十倍），浸入100微升磷酸緩沖液作為芯片的‘控制開關(guān)’”

圖1a：芯片結(jié)構(gòu)透視圖

玻璃基底上構(gòu)筑的微型三明治：金屬電極（底層）-非晶硅（中間）-氮化硅/二氧化硅（頂層敏感膜）

圖1b：實(shí)際工作場景

封裝芯片的環(huán)氧樹脂圍堰形成微型反應(yīng)池，Unisense微電極（右上銀色針尖）浸入液滴中

檢測原理

應(yīng)用Unisense銀/氯化銀（Ag/AgCl）微電極構(gòu)建生物電化學(xué)傳感體系，其核心原理是通過電極在100mM磷酸緩沖液（pH 7.0）中建立穩(wěn)定的電勢基準(zhǔn)，當(dāng)生物分子（DNA/蛋白質(zhì)）結(jié)合至芯片表面時(shí)，分子電荷擾動(dòng)電解質(zhì)界面雙電層結(jié)構(gòu)，引發(fā)非晶硅ISFET晶體管的閾值電壓漂移（ΔVT），該電信號經(jīng)微電極實(shí)時(shí)傳導(dǎo)至檢測系統(tǒng)（原理見圖1b）。

溫度與校準(zhǔn)控制

Unisense微電極對電解質(zhì)離子活度高度敏感，實(shí)驗(yàn)中采用三重校準(zhǔn)策略：

預(yù)極化處理：電極浸入緩沖液極化2小時(shí)，消除界面電勢漂移

生理級環(huán)境校準(zhǔn)：在25°C（室溫操作溫度）、pH 7.0的100mM磷酸緩沖液中完成基準(zhǔn)校準(zhǔn)

穩(wěn)定性驗(yàn)證：連續(xù)三次掃描柵極電壓（-2V至+3V），閾值電壓漂移需<0.6%方可通過

檢測操作流程

微反應(yīng)池構(gòu)建

將封裝后的ISFET芯片置于環(huán)氧樹脂圍堰內(nèi)，滴加50-100μL磷酸緩沖液（100mM,pH 7.0），形成微型液滴反應(yīng)池（圖1b）。

電極集成與信號采集

將Unisense Ag/AgCl微電極（直徑0.1mm）浸入液滴，作為柵壓控制器：

源漏電壓（VcccSD）固定為1V柵極電壓（VG）以0.2V/步掃描，步間間隔3秒

實(shí)時(shí)記錄源漏電流（ISD）-柵壓（VG）轉(zhuǎn)移曲線（圖2）

圖2DNA探針固定（IMMOB）與雜交（HYB）引發(fā)的轉(zhuǎn)移曲線右移，閾值電壓偏移量直接反映分子結(jié)合密度

生物分子動(dòng)態(tài)監(jiān)測

DNA雜交檢測：向反應(yīng)池注入0.5μM互補(bǔ)DNA溶液，靜置12小時(shí)后掃描，捕獲雜交誘導(dǎo)的ΔVT負(fù)偏（-28mV）

蛋白質(zhì)吸附檢測：滴加1μM目標(biāo)蛋白溶液，5分鐘后快速掃描，記錄電荷驅(qū)動(dòng)的電壓偏移（如HRP引起+145mV正偏）

總結(jié)——分子傳感的新紀(jì)元

這項(xiàng)研究不僅證明了廉價(jià)非晶硅芯片替代精密硅芯片的可能性，更開辟了生物分子電子化檢測的新路徑。如同為微觀世界安裝了電壓感應(yīng)器，當(dāng)DNA雜交時(shí)28毫伏的電壓波動(dòng)、蛋白質(zhì)吸附時(shí)145毫伏的電荷漣漪，都在無聲宣告：無需標(biāo)記，無需放大，分子自身的電學(xué)特性已成為最精準(zhǔn)的身份ID。未來，結(jié)合微流控技術(shù)將這種芯片集成到手機(jī)大小的設(shè)備中，可實(shí)時(shí)監(jiān)測癌癥標(biāo)志物或病毒RNA——當(dāng)生物傳感變得如測血糖般簡便，人類對抗疾病的武器庫便增添了一把隱形卻致命的電子密鑰。