皱纹石墨烯创建的超灵敏癌症DNA检测器

伊利诺伊州的研究人员发现，DNA传感器中皱缩的石墨烯使其灵敏度提高了数万倍，使其成为液体活检的可行平台。

基于石墨烯的生物传感器可以开启液体活检时代，检测患者血液或血清中循环的DNA癌症标志物。但是当前的设计需要大量的DNA。伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的研究人员发现，在一项新的研究中，皱缩的石墨烯通过产生电“热点”而使其对DNA的敏感性提高了一万倍。

研究人员说，皱巴巴的石墨烯可用于多种生物传感应用中，以进行快速诊断。他们今天（2020年3月24日）在《自然通讯》杂志上发表了他们的研究结果。

“这种传感器可以检测出疾病标志物的超低浓度分子，这对于早期诊断非常重要，”研究负责人，生物工程学教授，伊利诺伊州Grainger工程学院院长Rashid Bashir说。“它非常灵敏，低成本，易于使用，并且以新的方式使用了石墨烯。”

在核酸（例如DNA或其表亲RNA）中寻找有说服力的癌症序列的想法并不是什么新鲜事，但这是第一个可检测极少量（例如在患者血清中发现的）的电子传感器，而无需额外的费用加工。

“当您患有癌症时，某些序列会过表达。但是，与其对某人的DNA进行测序（这需要花费大量的时间和金钱），我们还可以检测到那些从肿瘤分泌到血液中的DNA和RNA中的癌症生物标志物的特定片段。”研究和伊利诺伊州Holonyak微纳米技术实验室的博士后研究员。

石墨烯是一种单原子厚的碳平板，是一种流行的低成本电子传感器材料。但是，迄今为止开发的核酸传感器需要一个称为扩增的过程-分离DNA或RNA片段，并在试管中多次复制。此过程很长，可能会引入错误。因此，巴希尔（Bashir）小组着手将石墨烯的传感能力提高到能够在不首先扩增DNA的情况下测试样品的程度。

提高石墨烯电子性能的许多其他方法都涉及精心制作的纳米级结构。伊利诺伊州的小组没有制造特殊的结构，而是简单地拉伸了一块塑料薄片，将石墨烯铺在其顶部，然后释放了塑料中的张力，导致石墨烯皱缩并形成了皱纹的表面。

他们测试了被弄皱的石墨烯在缓冲溶液和未稀释的人类血清中检测DNA和与癌症相关的microRNA的能力，并发现其性能比平面石墨烯提高了数万倍。

“这是有报道的生物分子电检测的最高灵敏度。以前，我们需要样品中成千上万的分子来检测它。通过这种设备，我们可以检测到只有几个分子的信号。” Hwang说。“我希望灵敏度有所提高，但并非如此。”

为了确定提高感应功率的原因，机械科学与工程教授Narayana Aluru及其研究小组使用了详细的计算机模拟来研究皱缩的石墨烯的电学性质以及DNA与传感器表面的物理相互作用。

他们发现这些腔体是电热点，充当诱捕器来吸引和固定DNA和RNA分子。

“当您弄皱石墨烯并形成这些凹入区域时，DNA分子会适合表面上的曲线和空腔，因此更多的分子会与石墨烯相互作用，我们可以检测到它，”第一位研究生Mohammad Heiranian说。该研究的作者。“但是，当表面平坦时，溶液中的其他离子比DNA更像表面，因此DNA与石墨烯的相互作用不大，我们无法检测到它。”

此外，使石墨烯皱缩会在材料中产生应变，从而改变其电学性能，从而引发带隙（电子必须克服的能垒，电子必须流过该能垒才能流过该材料），从而使其对DNA和RNA分子上的电荷更敏感。 。

该论文的共同作者，研究生阿米尔·塔奇丁（Amir Taqieddin）表示：“这种带隙潜力表明，皱缩的石墨烯也可以用于其他应用，例如纳米电路，二极管或柔性电子产品。”

即使在皱纹石墨烯对生物分子敏感性的首次展示中使用了DNA，也可以对这种新传感器进行调整，以检测各种各样的靶标生物标志物。巴希尔（Bashir）的小组正在测试传感器中的皱纹石墨烯中的蛋白质和小分子。

巴希尔说：“最终目标是为手持式设备制造墨盒，以检测几滴血液中的目标分子，例如，通过监测血糖的方式。”“我们的愿景是以便携式形式快速进行测量。”

参考：Michael Taeyoung Hwang，Mohammad Heiranian，Yerim Kim，Seungyong You，Juyoung Leem，Amir Taqieddin，Vahid Faramarzi，Yuhang Jing，Insu Park，Arend M. van der Zande，“使用变形石墨烯通道场效应生物传感器进行核酸的超灵敏检测” Sungwoo Nam，Narayana R.Aluru和Rashid Bashir，2020年3月24日，自然通讯.DOI：
10.1038 / s41467-020-15330-9

美国国家科学基金会通过伊利诺伊州材料研究科学与工程中心为这项工作提供了支持。