在醫療診斷和基因研究中，科學家一直夢想能像“讀取條形碼”那樣直接識別DNA和蛋白質。傳統方法需要給分子貼上熒光標簽，不僅步驟繁瑣，還可能改變分子本性。而本文發明的非晶硅離子敏感場效應晶體管（a-Si:H ISFET），如同一把分子世界的“電子探針”，首次實現了無標記、實時電子化檢測生物分子。

這種指甲蓋大小的芯片，能在玻璃基板上批量制造，成本僅為傳統硅芯片的1/10。其核心技術在于：當DNA或蛋白質靠近芯片表面的二氧化硅敏感層時，分子攜帶的電荷會像磁鐵般擾動芯片的電場，導致電流閾值電壓發生偏移。通過監測這種微小的電壓波動（精度達毫伏級），就能判斷分子種類和濃度。

研究團隊成功檢測到每平方厘米1皮摩爾（相當于1根頭發絲上放600億個DNA）的DNA密度，對蛋白質的檢測靈敏度達50納摩爾（1滴水中識別出50億分之一個蛋白質分子）。這種技術將癌癥早期診斷、病毒快速檢測等應用的檢測成本降低百倍，為便攜式“芯片實驗室”鋪平了道路。

三大突破性亮點

雙模式分子識別

DNA身份認證：芯片表面固定DNA探針后，當互補DNA結合時，電壓閾值偏移28毫伏，而50%錯配DNA僅偏移12毫伏，實現基因突變的精準甄別。

蛋白質無標記抓捕：帶負電的綠色熒光蛋白（GFP）使電壓負偏65毫伏，帶正電的辣根過氧化物酶（HRP）則引發正偏145毫伏，形成“電荷指紋”。

表面化學魔術

通過膽汁酸清潔→硅烷化→硫醇接頭固定三步工藝，在芯片表面搭建“分子錨定點”。這種設計使DNA探針像“倒立的蘑菇”般直立排列，極大提升檢測效率。

電荷解碼新理論

顛覆傳統“直接測電荷”認知，發現芯片實際檢測的是反離子云——帶負電的DNA會吸引正離子靠近芯片表面，形成電壓負偏。這一發現為新一代生物傳感器設計提供理論基石。

Unisense微電極實驗全流程

核心裝備

Unisense銀/氯化銀微電極（圖1b實物圖）：

“直徑0.1毫米的微型探針（比頭發細十倍），浸入100微升磷酸緩沖液作為芯片的‘控制開關’”

圖1a：芯片結構透視圖

玻璃基底上構筑的微型三明治：金屬電極（底層）-非晶硅（中間）-氮化硅/二氧化硅（頂層敏感膜）

圖1b：實際工作場景

封裝芯片的環氧樹脂圍堰形成微型反應池，Unisense微電極（右上銀色針尖）浸入液滴中

檢測原理

應用Unisense銀/氯化銀（Ag/AgCl）微電極構建生物電化學傳感體系，其核心原理是通過電極在100mM磷酸緩沖液（pH 7.0）中建立穩定的電勢基準，當生物分子（DNA/蛋白質）結合至芯片表面時，分子電荷擾動電解質界面雙電層結構，引發非晶硅ISFET晶體管的閾值電壓漂移（ΔVT），該電信號經微電極實時傳導至檢測系統（原理見圖1b）。

溫度與校準控制

Unisense微電極對電解質離子活度高度敏感，實驗中采用三重校準策略：

預極化處理：電極浸入緩沖液極化2小時，消除界面電勢漂移

生理級環境校準：在25°C（室溫操作溫度）、pH 7.0的100mM磷酸緩沖液中完成基準校準

穩定性驗證：連續三次掃描柵極電壓（-2V至+3V），閾值電壓漂移需<0.6%方可通過

檢測操作流程

微反應池構建

將封裝后的ISFET芯片置于環氧樹脂圍堰內，滴加50-100μL磷酸緩沖液（100mM,pH 7.0），形成微型液滴反應池（圖1b）。

電極集成與信號采集

將Unisense Ag/AgCl微電極（直徑0.1mm）浸入液滴，作為柵壓控制器：

源漏電壓（VcccSD）固定為1V柵極電壓（VG）以0.2V/步掃描，步間間隔3秒

實時記錄源漏電流（ISD）-柵壓（VG）轉移曲線（圖2）

圖2DNA探針固定（IMMOB）與雜交（HYB）引發的轉移曲線右移，閾值電壓偏移量直接反映分子結合密度

生物分子動態監測

DNA雜交檢測：向反應池注入0.5μM互補DNA溶液，靜置12小時后掃描，捕獲雜交誘導的ΔVT負偏（-28mV）

蛋白質吸附檢測：滴加1μM目標蛋白溶液，5分鐘后快速掃描，記錄電荷驅動的電壓偏移（如HRP引起+145mV正偏）

總結——分子傳感的新紀元

這項研究不僅證明了廉價非晶硅芯片替代精密硅芯片的可能性，更開辟了生物分子電子化檢測的新路徑。如同為微觀世界安裝了電壓感應器，當DNA雜交時28毫伏的電壓波動、蛋白質吸附時145毫伏的電荷漣漪，都在無聲宣告：無需標記，無需放大，分子自身的電學特性已成為最精準的身份ID。未來，結合微流控技術將這種芯片集成到手機大小的設備中，可實時監測癌癥標志物或病毒RNA——當生物傳感變得如測血糖般簡便，人類對抗疾病的武器庫便增添了一把隱形卻致命的電子密鑰。