小分子作為分子量小于 1000 道爾頓的化合物，在生命活動中發揮著重要的作用。對小分子進行檢測和分析，無論是在生物醫學領域，還是在疾病的早期診斷中，都是非常必要的。

目前，市場上已出現不少小分子檢測方法，包括光譜學、電化學等技術，但它們也同時存在著各種缺點，比如操作復雜、通量小、設備昂貴等。

與上述傳統的檢測技術相比，場效應晶體管（field-effect transistors，FET）這種傳感器平臺則具有諸多優點，如靈敏度高、響應速度快、即時檢測等。

在該平臺中，石墨烯作為導電通道，當其與小分子相互作用時，和電荷轉移相關的化學摻雜效應會改變它的電勢，導致石墨烯 FET 通道的電導發生實時變化。

其中，必須說明的是，小分子的電荷量或分析物的氧化還原性，對化學門控調制起著決定性作用。也就是說，這種晶體管傳感器，更適用于檢測那些帶電量較多的分子，而無法很好地檢測那些電荷很少、且氧化還原性能較弱的小分子。

復旦大學魏大程研究員帶領的課題組，以新型場效應晶體管材料的研發為研究重點（課題組主頁：www.weigroupfudan.com）。近期，該課題組發現了一種光化學門控效應，可以通過引入額外的光門控調制，來提高小分子的檢測靈敏度。

基于此，他們在石墨烯 FET 通道上，生長了具有良好光敏性的共價有機框架材料，能夠吸收大量的光能量，并產生豐富的光電子，進而放大對化學信號的電流響應。

接著，該團隊采用光門控和化學門控協同的策略，開發了一款光增強化學晶體管傳感器，實現對不同小分子，包括中性分子在內的高靈敏檢測。

利用該器件，他們成功檢測到由細胞產生的、濃度低于 10?19M 的二羰基代謝物甲基乙二醛（methylglyoxal，MGO），至少比現有的技術低 5 個數量級。需要說明的是，MGO 是糖尿病、心血管病等疾病的重要參與分子，此前傳統的小分子檢測方法，很少能夠實現對濃度低于 10?9M 的 MGO 的檢測。

在檢測 MGO 的基礎上，該器件還可以通過在共價有機框架材料上設計活性位點的方式，實現對其他具有不同電荷性質的小分子的檢測。并且，對共價有機框架材料的分子結構進行調整，還能滿足對其他疾病標志物的檢測，比如蛋白質、離子、核酸等。

圖丨光增強化學晶體管（來源：Journal of the American Chemical Society）

據魏大程介紹，該研究開始于 2018 年左右，整個過程持續了兩到三年時間。“我們先是發現了一些光增強的電學響應信號現象，但并不清楚其中的機理，后來做了很多對比實驗，同時也進行反復的討論分析，才明白其實際上是光柵效應和化學效應的協同作用導致的。”他說。

同時，他也表示：“我們利用光增強技術的好處是，能夠對信號放大，使晶體管傳感器發展成一個通用平臺，既可以檢測帶電量較高的小分子，也可以檢測帶電量較低的小分子。”

圖丨光增強化學晶體管（來源：Journal of the American Chemical Society）

2023 年 4 月 25 日，相關論文以《用于小分子超靈敏檢測的光增強化學晶體管平臺》（Photo-Enhanced Chemo-Transistor Platform for Ultrasensitive Assay of Small Molecules）為題在 Journal of the American Chemical Society 上發表[1]。

復旦大學碩士研究生王乾坤、艾昭琳為該論文的共同第一作者，復旦大學魏大程研究員為論文的通訊作者。

整體來看，該研究拓寬了晶體傳感器平臺的應用范圍，具有快速、易于操作、高靈敏等優點的傳感器件，有望在生物醫學研究、健康監測和疾病診斷中實現應用。

魏大程表示：“我們實驗室主要想將晶體管傳感器與醫療相結合，開展一些生化檢測方面的研究。不過，實現小分子檢測只是研究的一部分，這里面還有許多科學問題和技術問題有待解決。

比如，我們想實現對癌癥的檢測。雖然這方面也已經有了很多相關技術，但在進一步提高檢測的準確性上還有研究的空間，所以接下來我們也計劃朝著這個方向進行探索。”

此外，生化傳感領域，尤其是晶體管傳感技術，目前尚處于實驗室階段，現在，臨床上還沒有在大規模使用的產品。該團隊也正在和相關企業進行交流，希望能夠基于所開發的技術，打造一些具有較強實用性的產品，推動產業領域的應用。