小型台式无掩膜光刻机助力开发新型晶体管实现新冠肺炎快速筛选
发布日期：2021-12-09
【引言】
在新冠疫情大流行的背景下，从大量人群中快速筛查出受感染个体对于流行病学研究有着十分重要的意义。目前，新冠病毒诊断方法包括血清学和病毒核酸测试，主要是以分析逆转录聚合酶链反应作为金标准，此方法在检测中核酸提取和扩增程序耗时较长，很难满足对广泛人群进行筛查的要求，因此，亟需发展一种快速的监测方法应对新冠疫情。
【成果简介】
近期，复旦大学魏大程教授课题组利用MicroWriter ML3小型台式无掩膜光刻机制备出基于石墨烯场效应晶体管（g-FET）的生物传感器。该传感器上拥有Y形DNA双探针（Y-双探针），可灵敏且快速的实现新冠病毒的核酸检测分析。该传感器中的双探针设计，可以同时靶向新冠病毒核酸的两个目标基因区域：ORF1ab和N基因，从而实现更高的识别率和更低的检出极限（0.03份μL−1)。这一检出极限比现有的核酸分析低1-2个数量级，可避免混检过程中样本病毒载量较低而产生漏网之鱼，实现精准的混合测试。该传感器也具有极快的检测速度，快的核酸检测速度约为1分钟。由于快速、超灵敏、易于操作等特点以及混合检测的能力，这一传感器在大规模范围内筛查新冠病毒和其他流行病感染者方面具有巨大的应用前景。
【图文导读】
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图1. 基于g-FET的Y形双探针生物传感器的制备和表征。 （a）Y形双探针生物传感器进行SARS-CoV-2核酸检测的流程图。 （b）选定的病毒序列和探针在检测SARS-CoV-2时所靶向的核酸。ORF1ab: 非结构多蛋白基因; S: 棘突糖蛋白基因; E: 包膜蛋白基因; M: 膜蛋白基因; N: 核衣壳蛋白基因。图中数字表示SARS-CoV-2 NC_045512在GenBank中基因组的位置。 （c）封装好的器件。图中的比例尺为1 cm。 （d）石墨烯通道的光学照片。 （e）在石墨烯上的Cy3共轭Y型双探针。图中的比例尺为250 μm。 |
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图2. Y形双探针g-FET生物传感器进行SARS-CoV-2核酸测试的性能表现。 （a）SARS-CoV-2核酸样本准备流程。 （b）和（c）ΔIds/Ids0随着SARS-CoV-2 IVT-RNA增加的实时改变。 （d）ΔIds/Ids0随着SARS-CoV-2 IVT-RNA或cDNA浓度的变化曲线图。 （e）ΔIds/Ids0在检测到人类，SARS-CoV和SARS-CoV-2的cDNA和IVT-RNA时的反应。所有数据源自三个不同的传感器。 |
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图3. Y形DNA探针和ss-DNA探针的g-FETs生物传感器的测试表现对比。 （a, b）在石墨烯上的ss-DNA探针和Y形DNA探针的AFM表征结果。 （c, d）分别为ss-DNA和Y形DNA探针在g-FETs生物传感器上的示意图。 （e）不同探针下ΔVDirac在SARS-CoV-2 cDNA浓度为0.03到500份/100μL的人工唾液中的变化。 （f）利用Y-A探针和Y形探针的传感器的ΔVDirac随着SARS-CoV-2 cDNA浓度的变化。 （g）sy-DNA浓度在1x10-151x10-12M的条件下，Y-A探针和A探针在0.01xPBS条件下的ΔVDirac变换。 （h）暴露在浓度为1μM下的目标DNA生物传感器的ΔVDirac变化。 所有数据源自三个不同的传感器。 |
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图4. 测试临床SARS-CoV-2样本结果。 （a）在添加人体H1和临床P1的样本后ΔIds/Ids0随时间的变化曲线。插图中所示的是诊断P1所用的时间。 （b）ΔIds/Ids0在添加P1-P7和H1-H7后的变换。图中偏上的插图为P1-P7诊断时间的箱型图，图中偏下的插图为H1-H7的ΔIds/Ids0值。 （c）g-FET传感器中的的ΔIds/Ids0随着P1浓变化的实时反馈结果。 （d）五合一SARS-CoV-2核酸集体检测示意图。 （e）在添加阳性样本B1-B6和阴性样本A1-A6后，Y形双探针g-FETs生物传感器的ΔIds/Ids0事实变化结果。插图为在添加集体样本A6和B6后ΔIds/Ids0随时间的变换。 （f）Y形双探针g-FETs生物传感器的测试速度与其他检测SARS-CoV-2核酸方法速度的对比。 |
【结论】
魏大程教授课题组所研发的Y形双探针g-FETs生物传感器，是一种适用于大规模流行病筛选的新手段，突破了传统筛选手段诊断时间长和不能混合检测的瓶颈，在流行病筛选方面有巨大的应用前景。同时，从文中也可以看到随着流行病检测领域的需求逐渐增多，如何快速开发出符合需求的生物传感器显得十分重要。由于实验过程中需要及时修改相应的参数，得到优化的实验结果，十分依赖灵活多变的光刻手段。MicroWirter ML3小型台式无掩膜光刻机可以任意调整光刻图形，帮助用户快速实现原型芯片的开发，助力流行病检测领域的研究。
【参考文献】
[1]. Direct SARS-CoV-2 Nucleic Acid Detection by Y-Shaped DNA Dual-Probe Transistor Assay，J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 41, 17004–17014
