新冠病毒RNA离子生物大分子的快速超灵敏电化学传感器

新冠病毒RNA离子生物大分子的快速超灵敏电化学传感器

生物MEMS技术是用MEMS技术制造的化学/生物微型分析和检测芯片或仪器;场效应管则是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的晶体管,“利用栅极与沟道间的PN结形成的反偏的栅极电压,来控制漏极-源极间流经沟道的漏极电流ID”,也就是通过施加电压可以简单地调节流过通道的电流,常用作电子开关和放大器。

两个技术相结合的一个重要应用就是基于MEMS技术的场效应管传感器,通过测量漏极电流大小就可以定量分析发生在栅极离子敏感膜上的生物反应,这些生物反应包括核酸杂化、蛋白质作用、抗体抗原结合,以及酶底物反应等。

我们曾在往期内容中介绍了《ACS Nano》的“Rapid Detection of COVID-19 Causative Virus (SARS-CoV-2) in Human Nasopharyngeal Swab Specimens Using Field-Effect TransistorBased Biosensor”、《ACS Omega》的“MXene–Graphene Field-Effect Transistor Sensing of Influenza Virus and SARS-CoV-2”等文章,都是场效应管传感器用于病毒检测领域的相关研究进展。



今年二月,有复旦大学的科研人员发表了相关领域的论文,在《Nature Biomedical Engineering 》上发表了名为“Rapid and ultrasensitive electromechanical detection of ions, biomolecules and SARS-CoV-2 RNA in unamplified samples”的文章,设计制造了一种用于检测未扩增样本中新冠病毒RNA/离子/生物大分子的快速超灵敏电化学传感器,便是基于场效应管原理 。

该分子电化学系统(molecular electromechanical system,MolEMS)包含一个适配体探针,该探针连接到了一个弹性的单链DNA(ssDNA)悬臂上,再与一个自组装的固定的四面体结构的双链DNA(dsDNA)结构相连,该传感器能够对生物流体中的蛋白质、小分子、离子、核酸进行超灵敏、特异性检测,特别是对于鼻咽拭子样本中的新冠病毒RNA的直接检测限低至0.02copies/微升,如下图所示。

该MolEMS包括两部分:一个硬质的基底和一个弹性的悬臂,基底是由六条双链DNA组成的四面体结构,单链DNA通过胸腺嘧啶核酸固定在基底上,最终连接一个吊坠式的探针。该探针是具有特殊三维结构的单股寡核苷酸,不同的探针适配体可以用于特异性的与小分子、蛋白质、离子、核酸、细胞等结合为接下来各式各样的检测、成像、基因调节等用途。

传感器装置搭建在单层石墨烯上,两侧联通电极,在中间的PDMS构建的溶液区中也伸入电极,这样该MEMS结构便可以使用场效应管的原理进行检测,当传感器探针与目标结合后,会使电流发生变化,通过测量漏极电流大小就可以定量分析发生在栅极离子敏感膜上的生物反应,整个检测过程约为四分钟。

在对33名新冠患者的鼻咽拭子样本进行检测后,证实了该传感器的可靠性,同时54名阴性病例均无错报。

相比于MEMS和NEMS,该MolEMS的成本低、允许进行分子层面的操控,可用于小分子、蛋白质、离子、核酸、细胞等的检测,未来可能具有应用价值。



文献链接: https://doi.org/10.1038/s41551-021-00833-7

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