基于转角双层石墨烯超晶格的超灵敏光电生物传感器阵列：CRISPR-Cas12a介导的44.63 aM级核酸检测新策略

研究人员通过整合转角双层石墨烯(tBLG)超晶格、金纳米盘(Au nanodisks)和CRISPR-Cas12a系统，开发了一种新型光电生物传感器。该技术利用9.4° tBLG的范霍夫奇点(VHS)增强光吸收与等离子体共振耦合，实现了无需扩增的44.63 aM级核酸检测，在肺癌临床样本中验证了其与qPCR的高度一致性，为精准诊断提供了超灵敏、快速响应的解决方案。

　　

在生物传感领域，实现超灵敏、快速且特异的核酸检测一直是重大挑战。传统表面等离子体共振(SPR)技术受限于光学检测原理，难以突破飞摩尔级检测极限；而基于二维材料的电学传感器虽具潜力，但普遍面临光响应弱、需要高强度光照等问题。转角双层石墨烯(tBLG)因其独特的可调电子特性成为研究热点——通过控制层间扭转角(θ)，可精确调控范霍夫奇点(VHS)能量位置，从而增强光物质相互作用。然而，如何将这种量子特性转化为实用化生物传感平台，并实现临床相关检测灵敏度，仍是悬而未决的科学难题。

针对这一挑战，Bowen Du、Xilin Tian等研究团队在《National Science Review》发表创新成果，通过多学科交叉设计，将tBLG超晶格与金纳米盘(Au nanodisks)、CRISPR-Cas12a基因编辑系统通过DNA折纸技术整合，构建出新型光电生物传感器。该平台巧妙利用9.4° tBLG的VHS与等离子体共振光谱匹配，在60μW低光功率下实现14.64 mA/W的创纪录光响应度，并借助CRISPR系统的特异性识别和DNA折纸的空间精确组装，最终达到44.63 aM(阿托摩尔)的核酸检测极限，较传统方法提升四个数量级。

研究团队采用三项关键技术：1) 通过飞秒激光切割和精确转印制备9.4°扭转角的tBLG超晶格；2) 利用电子束光刻(EBL)在tBLG表面构建周期性金纳米盘阵列以增强激子-等离子体耦合；3) 设计四面体DNA折纸模板实现CRISPR-Cas12a系统与金纳米颗粒(AuNPs)的精确定位，临床样本来自深圳市第二人民医院的肺癌患者血浆。

RESULTS部分揭示了以下重要发现：

Construction of the structure

通过DNA折纸技术构建了AuNPs/折纸/Au纳米盘/tBLG四元异质结构。当目标DNA激活Cas12a的反式切割活性时，AuNPs从折纸框架释放，恢复激子-等离子体耦合状态，通过光电流变化实现信号输出。

Selective enhancement of tBLG structures via Au nanodisks

9.4° tBLG的拉曼G带强度是单层石墨烯的28.11倍，证实VHS增强效应。Au纳米盘/tBLG异质结在660 nm光照下光电流密度达原始tBLG的7倍，外量子效率提升至27.51%。

Optical spectra and simulation results

密度泛函微扰理论(DFPT)计算显示9.4° tBLG面内介电常数显著高于13.2°和21.8°体系，扫描隧道光谱(STS)证实其VHS能量为1.84 eV，与660 nm光子能量(1.88 eV)高度匹配。

Detection of miRNA through Au nanodisks/tBLG heterostructure

针对miRNA-21的检测显示，该平台在100 aM-100 pM范围内呈现线性响应，检测限低至44.63 aM，较qPCR灵敏度显著提升。

DISCUSSION部分指出，该研究开创性地将摩尔超晶格工程与CRISPR生物技术结合，通过三重创新实现突破：1) 利用θ角调控tBLG介电响应，实现低光功率下的高效光电转换；2) DNA折菊技术解决传统SPR探针间距不可控的难题；3) CRISPR-Cas12a系统提供单碱基分辨率的特异性识别。临床验证表明，该平台对肺癌样本的检测结果与qPCR高度一致，且在PBS缓冲液和全血中保持20天稳定性，为无标记、实时分子诊断树立了新标准。

这项研究的意义不仅在于创造了核酸检测灵敏度的新纪录，更开辟了"转角电子学+基因编辑"的交叉研究范式。通过量子材料设计与生物分子工程的深度融合，为发展下一代便携式诊断设备提供了理论框架和技术储备，在传染病筛查、癌症早诊和个性化医疗等领域具有广阔应用前景。