Small:基于光响应纳米通道的超灵敏光电化学生物传感器

自然界中的植物通过光合作用将太阳能转化为化学能,为人类营养和社会活动提供着源源不断的能源。受光合作用中植物叶绿体的类囊体捕获光能、实现电子传递的启发,人造光响应纳米通道受到了广泛关注,并已在光学传感、光控释放以及光电能量转换等领域展现出了应用场景。当前构建光响应纳米通道的策略通常是采用光响应分子(如螺吡喃、偶氮苯),而很少采用半导体作为光电材料修饰固态纳米通道,因为它们的制备条件更加复杂,而且往往会堵塞纳米通道。常用的固态纳米通道材质包括氮化硅、石英、阳极氧化铝(AAO)、石墨烯和有机聚合物,其中AAO由于其均匀的纳米通道尺寸、可调节的孔密度和出色的稳定性而具有显著优势。

二硫化钼(MoS2)作为过渡金属硫属化合物(TMD)一种,具有出色的光吸收系数、长的光激发载流子寿命,因此是光响应纳米通道的理想半导体光电材料。另一方面,原子层沉积(ALD)为在超高深宽比的AAO纳米通道内可控地修饰MoS2作为光响应纳米通道提供了可能。光响应纳米通道可以用作光电化学(PEC)生物传感器以产生光激发电流,AAO纳米通道具有离子传输电流响应,双重电流作用可以大大提高检测灵敏度。尽管当前基于各种光敏材料构建了许多PEC生物传感器,但尚未有通过改变PEC装置来设计生物传感器的报道。

东南大学机械工程学院刘磊教授课题组应用ALD技术在AAO模板上可控地生长了MoS2,基于此构筑了用于miRNA-155(乳腺癌等癌症诊断的生物标志物之一)超灵敏检测的新型光电化学生物传感器。研究结果表明,以孔径为150nm的AAO为基底,ALD的生长循环为70时,光响应纳米通道具有最佳的光电流性能,对应获得0.01fM~0.01nM的线性检测区间,检测下限达3 aM。MoS2修饰的AAO纳米通道不仅可以在光照射下产生光激发电流用作PEC生物传感器,同时AAO中的高密度纳米通道可以增强电活性物质的通量来有效放大离子电流信号,从而实现对miRNA-155的超灵敏检测。

此项研究提出的将ALD技术用于构建半导体光响应纳米通道具有一定的推广意义,同时将普通PEC生物传感器与纳米通道相结合的策略为提高生物传感器的检测性能提供了新的可能。相关论文在线发表于Small (DOI:10.1002/smll.202001223)。