一種用于檢測SARS-CoV-2的還原氧化石墨烯場效應(yīng)晶體管生物傳感器

隨著新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）的傳播，對快速、準(zhǔn)確檢測和篩查新冠病毒肺炎（COVID-19）患者的工具的需求日益增加。目前，石墨烯（Graphene）場效應(yīng)晶體管（FET）生物傳感器在即時(shí)和精確檢測方面引起了廣泛的關(guān)注。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，鑒于此，阿聯(lián)酋大學(xué)（United Arab Emirates University）的研究人員設(shè)計(jì)了一種用于檢測SARS-CoV-2的還原氧化石墨烯（rGO）場效應(yīng)晶體管生物傳感器。該研究的主要目的是有選擇性地快速檢測SARS-CoV-2刺突蛋白抗原。相關(guān)研究成果近期以“The design of a point of care FET biosensor to detect and screen COVID-19”為題，發(fā)表于Scientific Reports期刊。

該場效應(yīng)晶體管生物傳感器由還原氧化石墨烯通道、一對金電極和通道下方的柵極組成。還原氧化石墨烯通道使用SARS-CoV-2刺突蛋白抗體進(jìn)行功能化以實(shí)現(xiàn)對SARS-CoV-2刺突蛋白抗原的選擇性檢測，并使用銅和銀等金屬納米顆粒（MNPs）來增強(qiáng)該傳感器的生物傳感性能。

圖1 由源極、漏極、通道和通道下方柵極組成的還原氧化石墨烯場效應(yīng)晶體管生物傳感器（rGO-FET）示意圖

相關(guān)研究結(jié)果顯示，該還原氧化石墨烯場效應(yīng)晶體管生物傳感器成功檢測了SARS-CoV-2刺突蛋白抗原，并在檢測過程中表現(xiàn)出獨(dú)特的電學(xué)行為。此外，研究人員采用半經(jīng)驗(yàn)建模方法結(jié)合非平衡格林函數(shù)研究了目標(biāo)分子加入前后還原氧化石墨烯場效應(yīng)晶體管生物傳感器的電子輸運(yùn)特性。

圖2 在偏置電壓（Vbias）分別為0.0 V（a）、0.1 V（b）、0.2 V（c）和0.3 V（d）時(shí)，裸（無抗體和金屬納米顆粒修飾）傳感器、與病毒結(jié)合的傳感器以及與病毒結(jié)合并經(jīng)過金屬納米顆粒修飾的傳感器的電子輸運(yùn)透射譜

圖3 裸傳感器（無抗體和金屬納米顆粒修飾）、與病毒結(jié)合的傳感器以及與病毒結(jié)合并經(jīng)過金屬納米顆粒修飾的傳感器在柵極電壓（Vg）= 1V時(shí)的Ids-Vds曲線

圖4 由于目標(biāo)分子（SARS-CoV-2刺突抗原）的加入，引起的傳感器電流變化

為了驗(yàn)證該傳感器的特異性，研究人員選用狂犬病病毒（Rabies）和中東呼吸綜合征病毒（MERS）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。理論上，通過提出的還原氧化石墨烯場效應(yīng)晶體管生物傳感器檢測SARS-CoV-2病毒應(yīng)該是快速和實(shí)時(shí)的，因?yàn)橐坏┎《颈患尤氲絺鞲衅魍ǖ郎希瑐鞲衅麟娏骶蜁l(fā)生變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著SARS-CoV-2抗原的加入，傳感器的電流等電子特性發(fā)生了明顯的變化，因此證實(shí)了該傳感器的有效性。然而，狂犬病病毒和中東呼吸綜合征病毒的加入并沒有改變傳感器的讀數(shù)，從而進(jìn)一步證明了該傳感器對SARS-CoV-2抗原檢測的特異性。

圖5 SARS-CoV-2人中和抗體修飾的傳感器在加入狂犬病病毒和中東呼吸綜合征病毒前后的電子輸運(yùn)透射譜

總體而言，該研究的新穎之處在于研究了修飾金屬納米顆粒（即銀和銅）對所設(shè)計(jì)的還原氧化石墨烯場效應(yīng)晶體管生物傳感器傳感性能的增強(qiáng)效果。結(jié)果證實(shí)，銀等金屬納米顆粒的加入增強(qiáng)了檢測信號（電流變化）。其背后的原理在于，首先，金屬納米顆粒的加入可以通過增加通道的表面積來提高場效應(yīng)晶體管的靈敏度，這可以導(dǎo)致更高的電子密度，并改善電荷轉(zhuǎn)移；其次，除了增加表面積外，金屬納米顆粒還可以通過局部表面等離子體共振（LSPRs）現(xiàn)象增強(qiáng)場效應(yīng)晶體管的靈敏度。

然而，這種生物傳感器的制造過程還將面臨一些挑戰(zhàn)，因?yàn)樗赡苁且粋€(gè)耗時(shí)和復(fù)雜的過程。此外，選擇合適的分子前體來控制石墨烯納米帶結(jié)構(gòu)并不是一件容易的事情。同時(shí)，還原氧化石墨烯的統(tǒng)一化量產(chǎn)一直是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)檠豕倌軋F(tuán)會隨機(jī)分布在石墨烯表面，所以每個(gè)還原氧化石墨烯樣品都具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)。最后，真實(shí)病毒樣品的使用可能會影響生物傳感器的靈敏度，因?yàn)樗赡軙鹪S多非特異性相互作用?？傊@項(xiàng)工作提出了一種高效、快速、經(jīng)濟(jì)有效和精確的病毒檢測替代方案，因而將有希望助力于SARS-CoV-2全球大流行的防控。

審核編輯：劉清