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，理学院物理系叶巍翔教授与天津师范大学王程课题组、深圳技术大学贾原课题组合作，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。相关电气理论与实验研究以“Observing Mesoscopic Nucleic Acid Capacitance Effect and Mismatch Impact via Graphene Transistors”为题在国际知名期刊《Small》(影响因子：13.28)上在线发表。

叶巍翔教授、深圳技术大学助理教授贾原与天津师范大学副教授王程为本文的共同通讯作者，他们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（如图1所示），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，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。

图1. 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，电容网络被化简为串并联结构，并最终合并为容值随碱基对数目k非线性增加的电容。（c）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与石墨烯场效应管的上栅极电容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。

相关论文链接：

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

理学院近年来锐意探索学生培养与学术研究的全新模式，大力支持青年教师根据各自的研究兴趣独立组建团队开展工作。叶巍翔教授于2021年5月引进至海南大学，组建微纳光学团队，入职以来以海南大学为第一单位、通讯作者单位在国际知名学术期刊发表论文4篇，其中包括Biosensors and Bioelectronics (影响因子：10.61)、Small (影响因子：13.28)各一篇、Physical Chemistry Chemical Physics（影响因子：3.67）两篇。此外，还有一篇IEEE Transactions on Electron Devices(影响因子：2.91)与一篇Advanced Energy Material (影响因子：29.36)在修稿中。