利用芯片技术实现微量血液中重金属离子的高效检测

　　近期，中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所纳米材料与环境检测研究室研究员黄行九课题组利用芯片技术精确检测微量血液中的重金属离子取得新进展。该工作对于减少病人痛苦、提高血液中重金属离子检测的选择性及准确性具有重要意义。相关研究成果以Changing the Blood Test: Accurate Determination of Mercury(II) in One Microliter of Blood Using Oriented ZnO Nanobelt Array Film Solution-Gated Transistor Chips为题已被德国Wiley出版社Small期刊接收并发表。

　　血液检测能够反映出众多生化指标正常与否，对人体健康有着重要意义，但通常需要采集大量的血液样品。其中以血液中重金属离子（HMIs）的检测为例，经典的原子吸收（AAS）法检测至少需要血液样品2ml，且存在操作复杂、成本高昂、难以实现超痕量精确检测等挑战性。因此，发展低成本、易操作、高灵敏、高选择性的超灵敏芯片检测技术具有重要意义。

　　黄行九课题组设计了一种基于巯基（-SH）分子探针功能化的有序组装氧化锌纳米带（ZnO-NBs）薄膜沟道的液栅型场效应晶体管（FET）芯片。通过仿真模拟技术和相关理论，精确分析了ZnO-NB薄膜的不同组装方向对器件性能的影响。结果表明，ZnO-NBs平行于沟道时的纳米器件比ZnO-NBs相对于沟道无序时或垂直于沟道时的纳米器件表现出优异的电学性能。同时，由于FET芯片的栅极电压诱导效应和巯基（-SH）特异性结合Hg2+的协同作用，可导致该芯片双电层（EDL）电荷发生变化，从而实现了对待测物的超灵敏检测。

　　该芯片在水环境中检测Hg²⁺的最小可检测水平（MDL）达到100pM，且在滴加不同浓度的Hg²⁺离子时，具有快速的响应时间（小于1秒）。进一步研究发现，FET芯片在检测一滴血的实际样品时对Hg²⁺表现出优异的响应和选择性，其低最小可检测水平MDL可达到10nM（远低于人体血液中允许存在的最大浓度）。此外，利用该方法构筑的FET传感器件有望与MEMS技术和Dip-pen技术（用于点阵修饰）结合，从而构筑用于多通道分析的高通量芯片，在实际样品的广泛检测工作中具有广阔的应用前景。

　　该工作得到国家自然科学基金重点项目、面上项目，中科院创新交叉团队项目，中科院百人计划项目，博士后创新人才支持计划，合肥研究院“十三五”规划重点支持项目，安徽省科技重大专项等的支持。

（a）液栅型FET芯片检测示意图；（b）实时检测不同浓度汞离子的电流响应增量，插图为低浓度检测时的放大图；（c）在干扰离子存在时的汞离子实时检测响应图；（d）构筑的FET芯片光学照片及敏感区域的扫描电子显微镜图

归一化电流密度的二维仿真模拟图和三种不同组装方向的电学性能比较图。（a, b）分别为ZnO-NBs垂直于沟道的仿真图和I-V曲线图；（c, d）分别为ZnO-NBs相对于沟道无序时的仿真图和I-V曲线图；（e, f）分别为ZnO-NBs平行于沟道的仿真图和I-V曲线图。I-V曲线图中的所有插图都对应于三种不同组装方向的扫描电镜图。器件沟道的长度为2.5μm，所有仿真模拟的漏极电压均为0.5V。