四分钟内得结果！复旦大学魏大程课题组利用无掩膜光刻机开发出新型快速超灵敏新冠病毒检测设备

发布日期：2022-03-24

【期刊】

Nature Biomedical Engineering IF=25.7

DOI：https://doi.org/10.1038/s41551-021-00833-7

【成果简介】

由于许多疾病相关生物标志物的浓度超低，所产生的信号往往会被其他高浓度分子所产生的信号所干扰，因此从生物流体中进行超低浓度样品（每100 μL中有1到10份）的检测一直是医学/生物分析领域的一个难题。近日，复旦大学魏大程教授课题组使用小型台式无掩膜光刻机- MicroWriter ML3制备了基于石墨烯场效应管的分子微纳机电芯片解决了这一难题。所制备的芯片实现了对低浓度离子，生物分子和新冠病毒（每100 μL中有1到2份）的快速精确检测。使用该芯片对新冠病毒进行检测时，仅需鼻咽样本即可，无需RNA提取和核酸扩增，四分钟内就可得到检测结果。相关研究论文已在国际知名期刊《Nature Biomedical Engineering》（IF=25.7）上发表。

【图文导读】

图（1） 分子微纳机电和基于石墨烯场效应管的微纳机电芯片示意图。A)分子微纳机电芯片示意图。B) 分子微纳机电探针在不同静电场中工作原理示意图。探针与作为悬臂梁的单链DNA相连，然后被一个由双链DNA所组成的四面体结构固定在石墨烯表面。E为外加电场方向。C)基于液态门级石墨烯场效应管的微纳机电芯片示意图。D)使用小型台式无掩膜光刻机- MicroWriter ML3制备器件的数码照片。E) 小型台式无掩膜光刻机- MicroWriter ML3制备电极的光学显微照片。F)制备后的石墨烯表面的AFM表面成像结果。G)-I)不同外加电场条件下，单链DNA的荧光表征结果。

图（2）超灵敏生物探测系统和芯片稳定性结果。A) V_lg为-0.5V条件下和B) V_lg为0V条件下实时ΔI_ds的变化曲线。C)不同V_lg下，ΔI_ds随着凝血酶浓度的变化。D)分子微纳机电部分探测原理。由于探针较高的表面覆盖率，通过探针对特定目标进行特定吸附，避免了非特定吸附，然后再转换为不同电信号。E)制备芯片的ΔI_ds/ΔI_ds0随着时间的变化。

图（3）芯片的通用性，独特性和结构设计。A) ∣ΔI_ds/ΔI_ds0∣曲线随着不同检测样品浓度的变化。B) ΔI_ds/ΔI_ds0随着ATP浓度的变化。C)制备芯片对选定样品和非选定样品不同的∣ΔI_ds/ΔI_ds0∣结果。D)DNA四面体示意图。E)不同的DNA结构对狄拉克点位移的影响。

图（4）新冠病毒的核酸检测。A)使用制备芯片和传统PCR法进行核酸检测的工作流程。B)用于探测和样品选定的基因序列图。C）∣ΔI_ds/ΔI_ds0∣曲线随着不同检测样品浓度的变化。插图中展示了检测的灵敏度。D) ∣ΔI_ds/ΔI_ds0∣随着不同样本的改变。F1为PCR检测为阴性的1号样本。P1为PCR检测为阳性的1号样本。插图中展示了芯片对25个阳性样本的平均反应时间。E) 芯片对新冠感染者，普通发烧和流感患者以及健康人群的检测结果。F) ΔI_ds/ΔI_ds0对不同浓度样品的反应时间。插图为在样品采集后0-21天时间内的表征结果。G)制备的芯片和传统PCR法对样品检测灵敏度的比较。H) 通过和其他测试新冠病毒方法的比较，说明制备的芯片检测新冠病毒更快更灵敏。

【结论】

魏大程教授课题组使用小型台式无掩膜光刻机- MicroWriter ML3制备基于石墨烯场效应管的分子微纳机电芯片在检测离子，生物分子和新冠病毒等方面具有快速超高灵敏度等特点。该工作为医学/生物快速精确诊断领域的研究打下了坚实的基础。同时，从文中也可以看到随着医学/生物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芯片显得十分重要性。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。小型台式无掩膜光刻机- MicroWriter ML3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，助力医学/生物检测领域的研究。