目前在醫療保健領域，生物感測器常常被應用於監測血糖。然而，生物感測器也很有潛力用來檢測細菌。大阪大學的研究團隊基於石墨烯發明了一種新的生物感測器，一種由一個原子層厚度的碳層構成的材料，來檢測某些細菌，比如攻擊胃粘膜並與胃癌相關的細菌。當細菌與生物感測器相輔作用時，化學反應將被觸發，這些反應可以被石墨烯檢測到。
圖1.研究設計和結果的示意圖
爲了能夠檢測該化學反應的產物，該研究團隊使用微流體技術將細菌容納在靠近感測器表面的非常微小的液滴中。爲了讓細菌粘在上面，該團隊用抗體將石墨烯覆蓋，這是將細菌固定在生物感測器表面的一種常用辦法。然而，儘管抗體非常小（約10奈米），但在原子尺度上與石墨烯的原子薄層相比，它們實際上還是非常大。當細菌與抗體相輔作用時，石墨烯不能直接檢測到這些細菌，因爲其表面的抗體會阻斷訊號；這種訊號阻隔效應稱爲德拜屏蔽。
爲了克服德拜屏蔽帶來的侷限，該團隊決定監測細菌在某些特定化學物質存在時進行的化學反應，這些化學物質可以加在微小液滴中。反應產生的化學物質體積遠遠小於抗體，並且可以很容易地在抗體之間滑移穿過從而到達石墨烯表面。這些細菌以及它們在反應中產生的產物可以長時間停留在石墨烯表面附近，反應產物的濃度甚至可以被即時監測。
「我們的生物感測器能夠透過將細菌的反應嚴格侷限在特定的微量體積中來精確測定導致胃潰瘍和胃癌的細菌濃度，」 作者之一鬆本一彥說道。石墨烯感測表面能夠回饋電訊號，該電訊號根據小滴中存在反應產物的多少以及其累積的速度而變化。這些電訊號可用於計算液滴中的菌數量。石墨烯設置於場效電晶體（FET）結構中，而電晶體的作用是用來顯著提高石墨烯感測表面檢測到的電訊號。
「實質上，我們的生物感測器是個建在石墨烯FET上的小型實驗室。該感測器示範了石墨烯等二維材料是如何應用到醫療和保健的實際應用中的，」 第一作者小野教夫說。
該研究結果可用於建立新的「建在石墨烯FET上的實驗室」型生物感測器，以檢測各種不同的細菌。細菌的極小濃度甚至可以在不到30分鐘的時間内檢測完畢，因此這項工作展示了更快診斷潛在有害細菌的未來可能性。
圖2. 「建在石墨烯場效電晶體上的實驗室」的顯微鏡影像
圖3. 裝置對小滴中擷取的脲酶的可重複電響應
供稿 鍾維
編輯修改 JST客觀日本編輯部
引用文獻：
「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
