微量血液中重金屬離子的高效檢測研究獲進展

公開日: 2019-07-17

近期，中國科學院合肥物質科學研究院智能機械研究所納米材料與環境檢測研究室研究員黃行九課題組利用晶元技術精確檢測微量血液中的重金屬離子取得新進展。該工作對於減少病人痛苦、提高血液中重金屬離子檢測的選擇性及準確性具有重要意義。相關研究成果以Changing the Blood Test: Accurate Determination of Mercury(II) in One Microliter of Blood Using Oriented ZnO Nanobelt Array Film Solution-Gated Transistor Chips 為題已被德國Wiley出版社Small 雜誌接收發表。

血液檢測能夠反映出眾多生化指標正常與否，對人體健康有著重要意義，但通常需要採集大量的血液樣品。其中以血液中重金屬離子（HMIs）的檢測為例，經典的原子吸收（AAS）法檢測至少需要血液樣品2ml，且存在操作複雜、成本高昂、難以實現超痕量精確檢測等挑戰性。因此，發展低成本、易操作、高靈敏、高選擇性的超靈敏晶元檢測技術具有重要意義。

黃行九課題組設計了一種基於巰基（-SH）分子探針功能化的有序組裝氧化鋅納米帶（ZnO-NBs）薄膜溝道的液柵型場效應晶體管（FET）晶元。通過模擬模擬技術和相關理論，精確分析了ZnO-NB薄膜的不同組裝方向對器件性能的影響。結果表明，ZnO-NBs平行於溝道時的納米器件比ZnO-NBs相對於溝道無序時或垂直於溝道時的納米器件表現出優異的電學性能。同時，由於FET晶元的柵極電壓誘導效應和巰基（-SH）特異性結合Hg²⁺的協同作用，可導致該晶元雙電層（EDL）電荷發生變化，從而實現了對待測物的超靈敏檢測。該晶元在水環境中檢測Hg²⁺的最小可檢測水準（MDL）達到100pM，且在滴加不同濃度的Hg²⁺離子時，具有快速的響應時間（小於1秒）。進一步研究發現，FET晶元在檢測一滴血的實際樣品時對Hg²⁺表現出優異的響應和選擇性，其低最小可檢測水準MDL可達到10nM（遠低於人體血液中允許存在的最大濃度）。此外，利用該方法構築的FET感測器件有望與MEMS技術和Dip-pen技術（用於點陣修飾）結合，從而構築用於多通道分析的高通量晶元，在實際樣品的廣泛檢測工作中具有廣闊的應用前景。

該工作得到國家自然科學基金重點項目、面上項目，中科院創新交叉團隊項目，中科院百人計劃項目，博士後創新人才支持計劃，合肥研究院「十三五」規劃重點支持項目，安徽省科技重大專項等的支持。

（a）液柵型FET晶元檢測示意圖；（b）實時檢測不同濃度汞離子的電流響應增量，插圖為低濃度檢測時的放大圖；（c）在干擾離子存在時的汞離子實時檢測響應圖；（d）構築的FET晶元光學照片及敏感區域的掃描電子顯微鏡圖。

歸一化電流密度的二維模擬模擬圖和三種不同組裝方向的電學性能比較圖。（a, b）分別為ZnO-NBs垂直於溝道的模擬圖和I-V曲線圖；（c, d）分別為ZnO-NBs相對於溝道無序時的模擬圖和I-V曲線圖；（e, f）分別為ZnO-NBs平行於溝道的模擬圖和I-V曲線圖。I-V曲線圖中的所有插圖都對應於三種不同組裝方向的掃描電鏡圖。器件溝道的長度為2.5μm，所有模擬模擬的漏極電壓均為0.5 V。