基于量子點的的小蛋白受體電化學生物傳感器芯片研究

近日，華中科技大學集成電路學院劉歡教授團隊和生命科學與技術學院張后今教授團隊的合作研究成果發表在微流控和微制造領域頂級期刊Lab on a Chip，并入選為期刊封面論文，題為“A miniprotein receptor electrochemical biosensorchip based on quantum dots”，華中科技大學為論文第一和通訊單位，劉歡和張后今為論文共同通訊作者，集成電路學院2019級博士趙雨農和生命科學與技術學院2020級碩士韓娟為論文共同第一作者。

在生物傳感器的設計和制備中，抗體的成本高，儲存條件嚴格，耐久性有待提升，難以滿足生物醫學領域日益增長的需求。人工受體分子具有體積小、制備簡便、穩定性高等優點，對生物傳感器的研發具有重要研究意義和應用價值。

針對上述問題，華中科技大學各團隊合作開展跨學科交叉研究，采用新冠病毒蛋白人工受體代替傳統抗體蛋白質，圍繞分子識別與信號轉導機制，開展量子點電化學傳感器材料-器件的工藝協同優化設計，構建了單片集成式電化學生物傳感芯片（圖1），融合量子電容敏感效應和晶體管電流放大原理于一體，同時，基于器件平臺發展出量子點生物傳感反應動力學研究手段。

圖1 量子點生物傳感芯片

圖2 量子點生物傳感芯片制備與檢測方法

膠體量子點具有顯著的表面效應和尺寸效應，在氣體分子、金屬離子等生化傳感器研究中已展現出獨特的敏感效應。該工作瞄準合成生物學領域研究前沿，利用從頭設計的新冠刺突蛋白人工受體替代傳統抗體，人工受體尺寸約3 nm，相對分子質量約6.81 kDa。通過膠體量子點對人工受體的標記，構建特異性分子識別機制和電信號轉導機制（圖2），結合高電子遷移率場效應晶體管實現片上信號放大。隨著刺突蛋白濃度增加，量子點-柵極耦合電容變化幅度逐漸增強，表明刺突蛋白的結合可有效改變耦合電容，基于量子電容效應的獨特增敏機制，靈敏度相較于平面三電極器件提升了3個數量級，對目標抗原蛋白的檢測下限為0.013 fM（圖3）。這些結果為進一步開發和利用人工受體分子、量子點人工原子等新材料構建高性能生化傳感芯片打下基礎。

圖3 量子點生物傳感芯片微觀結構及其檢測性能

審核編輯：劉清