石墨烯生物传感器可检测人体感染或癌症等疾病微量生物标志物

基于石墨烯的紧凑型生物传感器有望检测到潜在的人体疾病或感染源的单分子。

日本丰桥技术科学大学（Toyohashi University of Technology）的研究人员设想只要对着智能手机呼吸就能诊断感染或疾病。据麦姆斯咨询报道，近日，他们开发了一款半导体生物传感器，可以检测人体感染或癌症等疾病的微量生物标志物。这些传感器芯片的直径只有几毫米，未来可集成到物联网（IoT）生物传感设备中，从而实现居家健康检测，以支持远程医疗。

迄今为止，全球已经进行了数亿次新冠肺炎（COVID-19）检测。与此同时，每个国家的癌症发病率几乎都在上升。在此背景下，迫切需要快速、准确和方便的生物标志物检测方案，该需求可通过使用传统半导体技术制造的紧凑型传感器实现。

“我们的研究目标是使用少量体液（如血液、尿液和唾液等）就可进行简单、快速的诊断。”领导这款生物传感器开发的日本丰桥技术科学大学电子学跨学科研究所教授Kazuhiro Takahashi解释说，“如果这款生物传感器可以检测到微量生物标志物，那么其最终有望用于癌症筛查和预测COVID-19的严重程度。”

研究人员使用悬浮的纳米薄片（例如石墨烯，一种只有一个原子厚的碳原子片）构建了一款原型测试芯片。石墨烯片在密封腔中像蹦床一样被拉伸，这样就可捕获生物标志物——可以指示该个体当下的健康状况或检测疾病的分子。当生物标志物附着在石墨烯表面时，会导致石墨烯表面变形为圆顶状结构。

当这种结构被LED光源照射时，产生的光学干涉会发生颜色上的变化，从而判断是否存在生物标志物。虽然之前的研究中使用过密封腔，但Kazuhiro Takahashi及其同事们最初的想法是将它们用于悬浮石墨烯表面的化学功能化。

悬浮的石墨烯薄片（左）；当生物标志物吸附在其表面时，呈现出的圆顶状（右）（来源：日本丰桥技术科学大学）

Kazuhiro Takahashi及其团队通过使用这项技术，在1毫升溶液中成功检测到前列腺特异性抗原（Prostate-specific antigen，PSA）——这是一种广泛用于诊断前列腺癌的生物标志物。前列腺特异性抗原检测量仅为100阿克。该生物传感器的高灵敏度可与医院的大型测试设备相媲美，并且该传感器小巧便携，由于不使用标记试剂，还可实时提供检测结果。研究人员还能够检测到COVID-19的生物标志物。

目前，Kazuhiro Takahashi及其团队正在进一步改进这款生物传感器，以便通过筛查呼出的气体或通过皮肤释放的气体来诊断人体疾病。

“该生物传感器可以集成到移动感知系统中。”Kazuhiro Takahashi说，“它不会很昂贵，因为传感器和读出电路将是一个非常小的模块。我们可以利用半导体和量产技术来降低成本。”

该款生物传感器可能需要两到三年的时间才能实现商业化，研究人员正在寻找工业合作伙伴，以实现超灵敏的家用生物传感器。通过推进半导体和物联网技术等最新工具，日本丰桥技术科学大学致力于通过创新研究来造福社会。