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智能所最新研究進展有望實現微量血液中重金屬離子的高效檢測
文章來源: 陳石華 發布時間: 2019-07-10

  近期,智能所納米材料與環境檢測研究室黃行九研究員課題組利用芯片技術精確檢測微量血液中的重金屬離子取得新進展。該工作對于減少病人痛苦、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雜志接收發表。 

  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,但通常需要采集大量的血液樣品。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,且存在操作復雜、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、高選擇性的超靈敏芯片檢測技術具有重大的意義。 

  黃行九研究員課題組設計了一種基于巰基(-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)芯片。通過仿真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平行于溝道時的納米器件比ZnO-NBs相對于溝道無序時或垂直于溝道時的納米器件表現出優異的電學性能。同時,由于FET芯片的柵極電壓誘導效應和巰基(-SH)特異性結合Hg2+的協同作用,可導致該芯片雙電層(EDL)電荷發生變化,從而實現了對待測物的超靈敏檢測。 

  該芯片在水環境中檢測Hg2+的最小可檢測水平(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(小于1秒)。進一步研究發現,FET芯片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,其最小可檢測水平MDL可達到10nM遠低于人體血液中允許存在的最大濃度)。此外,利用該方法構筑的FET傳感器件有望與MEMS技術和Dip-pen技術(用于點陣修飾)結合,從而構筑用于多通道分析的高通量芯片,在實際樣品的廣泛檢測工作中具有廣闊的應用前景。 

  該工作得到了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,博士后創新人才支持計劃,中科院合肥物質科學研究院“十三五”規劃重點支持項目,安徽省科技重大專項等項目的支持。 

  文章鏈接:https://doi.org/10.1002/smll.201902433

a)液柵型FET芯片檢測示意圖;(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 構筑的FET芯片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仿真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垂直于溝道的仿真圖和I-V曲線圖;(c, d)分別為ZnO-NBs相對于溝道無序時的仿真圖和I-V曲線圖;e, f)分別為ZnO-NBs平行于溝道的仿真圖和I-V曲線圖。I-V曲線圖中的所有插圖都對應于三種不同組裝方向的掃描電鏡圖。器件溝道的長度為2.5μm,所有仿真模擬的漏極電壓均為0.5 V 

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