Small：石墨烯场效应管观测的核酸双螺旋电容效应与错配影响

核酸物质作为遗传信息的载体是重要的生物标志物。对核酸进行高效便捷的无标记检测分析是生物传感器领域的研究热点。近日，天津师范大学王程课题组、深圳技术大学贾原课题组与海南大学叶巍翔课题组合作，使用全固态石墨烯场效应管传感器件对等链长杂交的核酸双螺旋分子的电子学性质和电荷输运行为进行了交叉研究。研究发现，核酸双螺旋分子在非电化学的静电场条件下可以被电气等效为一个由碱基对数目和匹配/错配状态决定的级联形态的电容网络，即磷酸二酯键在水溶液中电离产生的负电荷会有一部分被核酸分子本身所储存。这一唯象的电气等效模型对未来的生物传感器及分析工具的研发具有理论指导意义。

研究内容要点：

1. 石墨烯场效应管传感器体系中的核酸分子

石墨烯材料独特的无带隙狄拉克锥能带结构使得石墨烯场效应管器件（graphene field-effect transistor, GFET）能够实现电子和空穴的连续过渡，从而通过转移特性曲线的最低点精确地通过栅极电压将石墨烯敏感单元调整到0 V。基于这一特性，本文使用了课题组前期研制的一种批量流片器件间电气性能高度一致的双栅结构的全固态石墨烯场效应管传感器（fully solid-state graphene field-effect transistor, FSS-GFET）^[1]，通过观测转移特性曲线最低点平移对应的下栅极调控电压变化，将上栅极上由导电的巯苯基连接体分子单端固定的多种核酸双螺旋分子提供的电荷量进行了精确的定量测量和相互比较（图1）。

图1. 全固态石墨烯场效应管FSS-GFET传感器^[1]对核酸电荷输运的定量测量。a. FSS-GFET传感器结构：悬空上栅极（承载核酸分子电荷）与下栅极（直流栅压调控）分别由10 nm和15 nm固态二氧化铪固态电介质提供。b. 上栅极金属层电量由核酸（磷酸二酯键）在水溶液中电离产生的负电荷向下扩散提供。c. 传感器等效电路图：根据转移特性曲线最低点保持石墨烯电位为恒定0 V，核酸分子转移电荷量可由下栅极电压调控的变化量∆V_Dirac计算获得。

• 核酸电荷的部分转移

通过对碱基对数目为12、14、16、18、20及包括1 – 3 对错配碱基对的等链长核酸双螺旋进行实验测试，实验结果统计如图2a所示，有2个现象引起注意：

1）在静电平衡状态下，完全匹配杂交核酸双螺旋的长度变化与电荷输运量（下栅极电压变化）并不呈现正比关系，而是类似渐进饱和的非线性关系。考虑到水溶液中核酸分子在室温下是完全电离的，这一实验结果说明核酸电荷不可能完全输运到了金属上栅电极，即有一部分仍然储存在核酸分子中。

2）相同长度核酸双螺旋在存在碱基对错配时，输运的电荷量进一步降低。由于碱基对错配并不会引起电离电荷量的变化，这一实验结果进一步说明核酸双螺旋的分子结构对电荷输运存在影响。

图2. 核酸双螺旋电荷输运实验结果。a. 核酸双螺旋长度与输运电荷量正相关但不成正比，碱基对错配会削弱电荷输运。b. 计算结果：电荷输运效率随核酸双螺旋长度增加逐渐降低。

• 核酸双螺旋分子的电容网络唯象等效电路模型

根据图2a所示的实验结果，核酸电荷输运的效率也可以通过计算获得。如图2b所示，等效输运到金属上栅极的核酸电荷量大约只有30%左右。考虑核酸双螺旋通过导电连接体分子单端固定在金属电极上的结构（图3a），这一结果说明核酸双螺旋分子具有不可忽略的电荷容纳能力，其等效电容水平应该可以与GFET传感器的上栅极电容（10 nm二氧化铪，约1.416 μF/cm²）相比。

图3. 核酸双螺旋分子的电容效应与等效电路模型。a. 根据核酸双螺旋分子的规整分子结构，将其划分为电容级联网络形式。b. 通过将高离子强度水溶液界面电容设为近似恒定，电容网络被合并化简为单个电容C_dup。c. 根据石墨烯保持恒定0 V电位的特点（与水溶液电位相等），核酸电容C_dup与FSS-GFET上栅极电容C_tg形成闭合回路，核酸电离电荷在二者之间的重新分布解释了部分电荷输运的实验现象。

为定量解释实验结果，我们依照核酸双螺旋高度规整的分子结构将其以碱基对为单元构建为级联的电容网络。磷酸二酯键骨架等效电容设为C_S，碱基之间氢键结合等效电容设为C_P。结合水溶液在各个结点上的界面电容C_{EDL_*,*}，核酸双螺旋分子与水溶液（电位为0 V）之间形成总电容值为C_dup的电容网络。再根据高离子强度水溶液（取生理学浓度~150 mM）界面电容基本恒定的近似关系，电容网络被化简为图3b所示的串并联结构，并最终合并为容值随碱基对数目k非线性增加的电容C_dup(k)。由此，保持恒定0 V电位的石墨烯与电位相同的水溶液使GFET传感器的上栅极电容C_tg与C_dup(k)形成闭合回路，使核酸电离电荷在二者间按与电容值成正比的关系重新分布（图3c）。这样，图2中所示的不完全电荷输运现象得到了解释：即核酸双螺旋长度增加使电荷总量线性增加，但与此同时核酸电容也在增加使得电荷转移效率的增加幅度不断降低。进一步，当核酸双螺旋中存在碱基对错配时，氢键极化的破坏使电荷在碱基之间隧穿的可能性降低，宏观表示为C_P电容增大^[2]，并使得核酸整体电容C_dup(k, p)增大，从而降低电荷输运效率。这一原理也为先前报导的碱基错配实验研究提供了一种解释^[3]。

本文的通讯作者之一，深圳技术大学助理教授，哥伦比亚大学博士贾原认为，此项研究给出的核酸双螺旋分子电容网络等效电路模型能对其电气响应进行较为理想的定量描述，对新型电子元器件用作生物传感器（含电化学）的开发范式具有启发性的意义。包括但不限于核酸物质在内的生物分子（尤其是大分子）可能普遍可以以电阻、电容、二极管等基本电子元件为等效模型进行电气网络等效。在此基础上，海南大学教授，美因茨大学博士叶巍翔认为，通过优化电子学生物传感器的放大能力，纳米尺度的生物分子相互作用有望被进一步精确观测。本项研究目前对核酸双螺旋分子电气行为观测和解释属于宏观视角的集群响应，其唯象电气等效模型的建立以生物分子相互作用动力学过程的各态经历性假设为条件。下一步研究应进一步提升传感器件的灵敏度（放大增益），尝试对单分子作用行为进行观测，并对各态经历性进行实验验证。对此，天津师范大学副教授王程认为，本文所述研究所使用单个GFET传感器件进行观测目前尚不足以实现单分子检测，在未来工作中将多个GFET元件进行片上集成，形成级联的模拟放大集成电路将是继续提升传感性能的可行途径。

参考文献：

[1] C. Wang, J. Wu, Y. He, et al., Nano Lett. 20(1): 166. (2020)

[2] M. Devereux, P. L. A. Popelier, J. Phys. Chem. A 111(8): 15361. (2007)

[3] K. M. Cheung, J. M. Abendroth, N. Nakatsuka, et al., Nano Lett. 20(8): 5982. (2020)

论文信息：

Observing Mesoscopic Nucleic Acid Capacitance Effect and Mismatch Impact via Graphene Transistors

Mingfeng Zhang, Zhibo Li, Yuan Jia*, Fuquan Wang, Jinpeng Tian, Cuiping Zhang, Tingting Han, Ruiqing Xing, Weixiang Ye*, Cheng Wang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202105890

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202105890