细胞因子是协调人体免疫反应的关键蛋白，广泛存在于血液和组织液等内分泌液以及唾液和汗液等外分泌液中，是临床评估患者健康状况的重要生物标志物。在呼吸系统疾病中，病毒通过呼吸道进入人体后，免疫系统分泌各种调节炎症的细胞因子，能够刺激、集中和扩增免疫细胞。TNF-α作为一种典型的促炎类型细胞因子，在人体的免疫反应中尤为重要。通过监测汗液中的TNF-α浓度，可以有效地评估机体的免疫状态。传统的检测方法，例如免疫荧光法和酶联免疫吸附法，往往需要复杂的操作和较长的时间进行检测，限制了其大规模应用。因此，发展可穿戴传感器，实现对于痕量蛋白的检测，成为新的研究热点。基于二维材料(如MoS2和石墨烯)的场效应晶体管传感器因其无标记、快速响应和高灵敏度等优点而备受关注，在人体代谢物和离子检测方面得到了初步应用。然而，在真实的检测中，人体外分泌液(如汗液)中杂质分子的存在会严重干扰痕量蛋白的有效检测。因此，开发能够直接检测未稀释汗液中细胞因子的可穿戴设备成为临床研究的焦点。

日前，哈尔滨工业大学的潘昀路、胡平安教授团队，设计开发了一种具有自动汗液输送、杂质隔离和可重复使用功能的高灵敏度柔性监测系统——纳米阵列二硫化钼场效应管(NM-FET)。该系统将具有逐步润湿性表面的纳米阵列和用Nafion/适配体修饰的场效应管传感器进行集成，该系统可检测真实汗液中10fM~1nM范围变化的TNF-α蛋白浓度。相关工作以“Flexible/Regenerative Nanosensor with Automatic Sweat Collection for Cytokine Storm Biomarker Detection”为题发表在《ACS Nano》，并被选为当期封面。文章共同第一作者为哈尔滨工业大学机电工程学院助理研究员黄聪、2023级博士生杨炜嵩、2021级博士生王昊、2018级博士生黄穗楚。

图文解读

该NM-FET检测系统主要由两部分组成:具有逐步润湿性表面的纳米阵列和经Nafion/适配体修饰的场效应管。纳米阵列由直径为1μm的聚苯乙烯微球组成。经全氟葵基三氯硅烷(FDTS)处理和氧离子刻蚀后，纳米阵列表面形成亲/疏水区域。纳米阵列表面不同区域的润湿性变化能够让汗液在测试地点实现自动收集和运输。此外，二硫化钼场效应管部分通过在MoS2材料表面上使用Nafion作为适配体的依附位点进行修饰，使得场效应管具有可回收性。同时NM-FET的超薄、超柔性基底，能够承受一定程度的弯曲变形。NM-FET检测系统通过自动汗液收集/过滤以及真实汗液中痕量蛋白的高灵敏度检测，可实现对人体免疫状态变化的实时监测。

图1 NM-FET的原理图概述

NM-FET的制备和特性表征

NM-FET中主要包括两个部分：场效应管和纳米阵列。纳米阵列的SEM显示微球大部分区域的排布方式呈现蜂窝状，小部分区域的微球排布则存在缺陷。电极区域SEM中红色区域为MoS2，蓝色区域为Au电极，绿色区域为衬底。使用FDTS旋涂纳米阵列，XPS能谱显示出明显的F峰，证明了FDTS的成功修饰。使用氧离子刻蚀纳米阵列表面，发现O/C峰值比增加到2.48，这说明氧离子刻蚀导致纳米阵列表面氧化物的增加。测量MoS2表面修饰Nafion和适配体后的转移特性曲线，通过修饰前后的电流偏移变化，证明MoS2表面Nafion和适配体的成功修饰。

图2 NM-FET的制备与表征

NM-FET中场效应管的电学性能

为了评估不同批次NM-FET的性能稳定性，测试多个批次场效应管传感器的转移特性曲线，发现其显示出较为良好的一致性。为验证人体温度变化对NM-FET的影响，场效应管测试了温度范围30°-70°的电学性能，其转移特性曲线的电流只从3.99 μA降低到3.7 μA。NM-FET在室温非密封条件下存储六周，每周测试NM-FET的转移特性曲线，其电流变化率仅为4.42%。以上结果说明制造批次，温度以及长时间存储对NM-FET系统的电学性能影响较小。为了验证NM-FET柔性基底的抗形变能力，利用弯曲、折叠和皱缩来测试每次变形后NM-FET的电学特性变化，结果表明NM-FET在经历形变后仍能保持较高的电学稳定性。

图3 NM-FET中场效应管组成部分的电学性能

纳米阵列的液体运输能力

为了实现汗液自动收集和输送功能，探究了旋涂不同浓度FDTS以及氧离子刻蚀时间对纳米阵列表面接触角的影响。当纳米阵列未旋涂FDTS时，表面接触角约为32.32°，此时纳米阵列表面不亲水也不疏水。而经过FDTS旋涂后，纳米阵列表面接触角迅速增大，形成高度疏水状态。随后，纳米阵列表面选择部分区域进行氧离子刻蚀，将其转化为高亲水性表面，从而实现纳米阵列表面的阶梯式润湿性。从通道的正/反方向模拟汗液采集运输，由于汗液通道的收集区与检测区存在形状和大小上的差异，液体只会正向从收集区自动运输到检测区，验证通道自动单向输送汗液的能力。

图4 NM-FET中具有逐步润湿性的纳米阵列

NM-FET系统的检测能力和可回收性

在真实检测中，人体外分泌液中杂质分子的存在会严重干扰蛋白的有效检测。为了证实该检测系统在不同溶液中的检测能力，NM-FET分别在磷酸盐缓冲溶液(PBS)、人工尿液和真实尿液中检测，均表现出较为出色的检测能力。适配体和蛋白结合后通常无法自行分离，因此大多数基于适配体检测的传感器是一次性的。而如果可将传感区域进行回收处理，即可实现传感器的重复利用。由于Nafion可溶于酒精，将使用过的NM-FET浸入酒精，MoS2通道表面的Nafion溶解，即可恢复到原始MoS2通道状态。随后使用Nafion和适配体进行另一轮修饰，可恢复NM-FET的检测能力。对NM-FET进行30次循环，每10次循环后测量MoS2表面的拉曼光谱，并使用修饰后的NM-FET进行TNF-α浓度检测。结果表明NM-FET可循环使用30次检测周期，这有效提高了检测系统的资源利用效率。

图5 TNF-α蛋白的检测及NM-FET的循环使用

对纳米生物传感器而言，能够对真实环境中人体分泌物样本实现直接检测至关重要。首先采用ELISA测定了汗液和血液中TNF-α蛋白浓度的关系。其次NM-FET检测系统对Nafion和适配体单独修饰和使用Nafion/适配体多步修饰进行性能比较，验证了Nafion/适配体多步修饰对于TNF-α蛋白检测的有效性。采用IL-6、IFN-γ和CTNI蛋白与TNF-α蛋白进行对比测试，验证了该特定序列适配体对TNF-α蛋白的特异性。最后，使用NM-FET系统进行真实人体汗液测试以及单一浓度连续监测。发现随着TNF-α蛋白浓度从0到1nM的增加，电流始终呈上升趋势；在20小时连续监测时，NM-FET检测系统的电流保持相对稳定，说明NM-FET具有一定的连续监测能力。

图6 NM-FET系统对真实汗液样本的检测能力

总结展望

作者将具有逐步润湿性表面的纳米阵列，杂质隔离的Nafion隔离层以及超薄、超柔性基底等进行结合，开发了纳米阵列二硫化钼场效应管(NM-FET)，具有汗液自动收集运输、杂质多层隔离、高灵敏度蛋白检测以及可重复使用等多种功能，NM-FET可以有效分析真实汗液样品中的TNF-α蛋白浓度，有望在临床应用中实时监测人体汗液中TNF-α蛋白水平。

来源：高分子科学前沿

论文链接：

Liu, L., Ji, Y., Bianchi, M. et al. A metastable pentagonal 2D material synthesized by symmetry-driven epitaxy. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01987-w

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原标题：《【复材资讯】哈工大潘昀路、胡平安教授ACS Nano：柔性可穿戴式场效应管传感器用于汗液中痕量蛋白的直接检测》