曾海波&陈翔教授团队发表二维电子最新研究进展

近日，南京理工大学材料学院曾海波&陈翔教授团队在材料科学顶级期刊InfoMat（IF=24.798）上发表了题为Fast and direct identification of SARS-CoV-2 variants via 2D InSe field-effect transistors（2D InSe FET实现新冠变异毒株的直接快速鉴定）的研究论文，并被选为当期封面文章。（文章链接为：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/inf2.12398）。南京理工大学为论文唯一通讯单位，材料学院硕士生许多、环生学院李俊吉博士和材料学院博士生熊云海为本文共同第一作者，陈翔教授和曾海波教授为论文共同通讯作者。其他合作者包括材料学院张胜利教授、环生学院单丹教授。

当下，新冠疫情仍在全球肆虐。以Delta和Omicron为代表的SARS-CoV-2变异株凭借更强的传播性和免疫逃避能力，使得疫苗接种等措施难以阻断COVID-19大流行病的持续爆发。因此，迫切需要开发高效的病毒变种快速识别方法及相关器件。相比传统的RT-qPCR 等检测方法，基于二维（2D）材料的场效应晶体管（FET）生物传感器因其超高灵敏、快速实时等优点，受到了广泛关注。然而，如何进一步提高晶体管传感器的精确感知能力，使其能够识别核酸分子内部关键信息、特别是单碱基变异，是实现新冠病毒变异株分型的关键。

为了解决这一挑战，曾海波&陈翔教授团队探索和研究了二维硒化铟（2D InSe）FET对SARS-CoV-2变异核酸序列的识别能力。首先，分步法原子层沉积（ALD）氧化铝保证了InSe FET的迁移率和稳定性，使器件对目标核酸实现了亚飞摩尔级（sub-fM）的检测限，浓度线性响应范围达到6个数量级（10-14~10-8 M）。其次，器件可以在15分钟内识别出单核苷酸变异（SNVs）的类型与位置（p < 0.01），从而直接快速分辨出Delta基因组中的两个核心突变（L452R, R203M）。

通过第一性原理计算证明，该出色的传感性能主要归功于沉积氧化铝后，2D InSe发生了浅层氧取代（InSe1-xOx）。后者在2D InSe中引入的陷阱态（Traps）对核酸负电荷信号敏感并参与载流子输运，引起2D InSe FET超灵敏的电信号变化。该研究实现了病毒检测、变异诊断与预警的一体式传感，对后疫情时代各类高传染、易突变病毒的早期筛查具有重要的意义。

上述工作得到了国家自然科学基金委重大培育项目（92064007）、重点项目（52131304)）、杰青项目（62001224）和江苏省自然科学基金项目（BK20190476、BK20190457、BZ2020063)）等的支持。


InfoMat封面亮点报道


图1. 二维InSe晶体管用于快速超灵敏检测SARS-CoV-2。


图2. 利用2D InSe FET直接识别SARS-CoV-2 单核苷酸突变（SNVs）。


图3. 二维InSe晶体管的突变识别机制。