基于石墨烯的緊湊型生物傳感器有望檢測到潛在的人體疾病或感染源的單分子。

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日本豐橋技術科學大學（Toyohashi University of Technology）的研究人員設想只要對著智能手機呼吸就能診斷感染或疾病。據麥姆斯咨詢報道，近日，他們開發了一款半導體生物傳感器，可以檢測人體感染或癌癥等疾病的微量生物標志物。這些傳感器芯片的直徑只有幾毫米，未來可集成到物聯網（IoT）生物傳感設備中，從而實現居家健康檢測，以支持遠程醫療。

迄今為止，全球已經進行了數億次新冠肺炎（COVID-19）檢測。與此同時，每個國家的癌癥發病率幾乎都在上升。在此背景下，迫切需要快速、準確和方便的生物標志物檢測方案，該需求可通過使用傳統半導體技術制造的緊湊型傳感器實現。

“我們的研究目標是使用少量體液（如血液、尿液和唾液等）就可進行簡單、快速的診斷。”領導這款生物傳感器開發的日本豐橋技術科學大學電子學跨學科研究所教授Kazuhiro Takahashi解釋說，“如果這款生物傳感器可以檢測到微量生物標志物，那么其最終有望用于癌癥篩查和預測COVID-19的嚴重程度。”

研究人員使用懸浮的納米薄片（例如石墨烯，一種只有一個原子厚的碳原子片）構建了一款原型測試芯片。石墨烯片在密封腔中像蹦床一樣被拉伸，這樣就可捕獲生物標志物——可以指示該個體當下的健康狀況或檢測疾病的分子。當生物標志物附著在石墨烯表面時，會導致石墨烯表面變形為圓頂狀結構。

當這種結構被LED光源照射時，產生的光學干涉會發生顏色上的變化，從而判斷是否存在生物標志物。雖然之前的研究中使用過密封腔，但Kazuhiro Takahashi及其同事們最初的想法是將它們用于懸浮石墨烯表面的化學功能化。

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懸浮的石墨烯薄片（左）；當生物標志物吸附在其表面時，呈現出的圓頂狀（右）（來源：日本豐橋技術科學大學）

Kazuhiro Takahashi及其團隊通過使用這項技術，在1毫升溶液中成功檢測到前列腺特異性抗原（Prostate-specific antigen，PSA）——這是一種廣泛用于診斷前列腺癌的生物標志物。前列腺特異性抗原檢測量僅為100阿克。該生物傳感器的高靈敏度可與醫院的大型測試設備相媲美，并且該傳感器小巧便攜，由于不使用標記試劑，還可實時提供檢測結果。研究人員還能夠檢測到COVID-19的生物標志物。

目前，Kazuhiro Takahashi及其團隊正在進一步改進這款生物傳感器，以便通過篩查呼出的氣體或通過皮膚釋放的氣體來診斷人體疾病。

“該生物傳感器可以集成到移動感知系統中。”Kazuhiro Takahashi說，“它不會很昂貴，因為傳感器和讀出電路將是一個非常小的模塊。我們可以利用半導體和量產技術來降低成本。”

該款生物傳感器可能需要兩到三年的時間才能實現商業化，研究人員正在尋找工業合作伙伴，以實現超靈敏的家用生物傳感器。通過推進半導體和物聯網技術等最新工具，日本豐橋技術科學大學致力于通過創新研究來造福社會。