目前在医疗保健领域，生物传感器常常被应用于监测血糖。然而，生物传感器也很有潜力用来检测细菌。大阪大学的研究团队基于石墨烯发明了一种新的生物传感器，一种由一个原子层厚度的碳层构成的材料，来检测某些细菌，比如攻击胃粘膜并与胃癌相关的细菌。当细菌与生物传感器相互作用时，化学反应将被触发，这些反应可以被石墨烯检测到。
图1.研究设计和结果的示意图
为了能够检测该化学反应的产物，该研究团队使用微流体技术将细菌容纳在靠近传感器表面的非常微小的液滴中。为了让细菌粘在上面，该团队用抗体将石墨烯覆盖，这是将细菌固定在生物传感器表面的一种常用办法。然而，尽管抗体非常小（约10纳米），但在原子尺度上与石墨烯的原子薄层相比，它们实际上还是非常大。当细菌与抗体相互作用时，石墨烯不能直接检测到这些细菌，因为其表面的抗体会阻断信号；这种信号阻塞效应称为德拜屏蔽。
为了克服德拜屏蔽带来的限制，该团队决定监测细菌在某些特定化学物质存在时进行的化学反应，这些化学物质可以加在微小液滴中。反应产生的化学物质体积远远小于抗体，并且可以很容易地在抗体之间滑移穿过从而到达石墨烯表面。这些细菌以及它们在反应中产生的产物可以长时间停留在石墨烯表面附近，反应产物的浓度甚至可以被实时监测。
“我们的生物传感器能够通过将细菌的反应严格限制在特定的微量体积中来精确测定导致胃溃疡和胃癌的细菌浓度，” 作者之一松本一彦说道。石墨烯传感表面能够反馈电信号，该电信号根据微滴中存在反应产物的多少以及其累积的速度而变化。这些电信号可用于计算液滴中的细菌数量。石墨烯设置于场效应晶体管（FET）结构中，而晶体管的作用是用来显著提高石墨烯传感表面检测到的电信号。
“实质上，我们的生物传感器是个建在石墨烯FET上的小型实验室。该传感器示范了石墨烯等二维材料是如何应用到医疗和保健的实际应用中的，” 第一作者小野教夫说。
该研究结果可用于创建新的“建在石墨烯FET上的实验室”型生物传感器，以检测各种不同的细菌。细菌的极小浓度甚至可以在不到30分钟的时间内检测完毕，因此这项工作展示了更快诊断潜在有害细菌的未来可能性。
图2. “建在石墨烯场效应晶体管上的实验室”的显微镜图像
图3. 装置对微滴中捕获的脲酶的可重复电响应
供稿 钟维
编辑修改 JST客观日本编辑部
引用文献：
“Electrical Biosensing at Physiological Ionic Strength Using Graphene Field-Effect Transistor in Femtoliter Microdroplet”
Nano Lett. 19, 4004 (2019)
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b01335
