小型臺式無掩膜光刻機助力開發新型晶體管實現新冠肺炎快速篩選
【引言】
在新冠疫情大流行的背景下，從大量人群中快速篩查出受感染個體對于流行病學研究有著十分重要的意義。目前，新冠病毒診斷方法包括血清學和病毒核酸測試，主要是以分析逆轉錄聚合酶鏈反應作為金標準，此方法在檢測中核酸提取和擴增程序耗時較長，很難滿足對廣泛人群進行篩查的要求，因此，亟需發展一種快速的監測方法應對新冠疫情。
【成果簡介】
近期，復旦大學魏大程教授課題組利用MicroWriter ML3小型臺式無掩膜光刻機制備出基于石墨烯場效應晶體管（g-FET）的生物傳感器。該傳感器上擁有Y形DNA雙探針（Y-雙探針），可靈敏且快速的實現新冠病毒的核酸檢測分析。該傳感器中的雙探針設計，可以同時靶向新冠病毒核酸的兩個目標基因區域：ORF1ab和N基因，從而實現更高的識別率和更低的檢出極限（0.03份μL−1)。這一檢出極限比現有的核酸分析低1-2個數量級，可避免混檢過程中樣本病毒載量較低而產生漏網之魚，實現精準的混合測試。該傳感器也具有極快的檢測速度，最快的核酸檢測速度約為1分鐘。由于快速、超靈敏、易于操作等特點以及混合檢測的能力，這一傳感器在大規模范圍內篩查新冠病毒和其他流行病感染者方面具有巨大的應用前景。
【圖文導讀】
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圖1. 基于g-FET的Y形雙探針生物傳感器的制備和表征。 （a）Y形雙探針生物傳感器進行SARS-CoV-2核酸檢測的流程圖。 （b）選定的病毒序列和探針在檢測SARS-CoV-2時所靶向的核酸。ORF1ab: 非結構多蛋白基因; S: 棘突糖蛋白基因; E: 包膜蛋白基因; M: 膜蛋白基因; N: 核衣殼蛋白基因。圖中數字表示SARS-CoV-2 NC_045512在GenBank中基因組的位置。 （c）封裝好的器件。圖中的比例尺為1 cm。 （d）石墨烯通道的光學照片。 （e）在石墨烯上的Cy3共軛Y型雙探針。圖中的比例尺為250 μm。 |
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圖2. Y形雙探針g-FET生物傳感器進行SARS-CoV-2核酸測試的性能表現。 （a）SARS-CoV-2核酸樣本準備流程。 （b）和（c）ΔIds/Ids0隨著SARS-CoV-2 IVT-RNA增加的實時改變。 （d）ΔIds/Ids0隨著SARS-CoV-2 IVT-RNA或cDNA濃度的變化曲線圖。 （e）ΔIds/Ids0在檢測到人類，SARS-CoV和SARS-CoV-2的cDNA和IVT-RNA時的反應。所有數據源自三個不同的傳感器。 |
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圖3. Y形DNA探針和ss-DNA探針的g-FETs生物傳感器的測試表現對比。 （a, b）在石墨烯上的ss-DNA探針和Y形DNA探針的AFM表征結果。 （c, d）分別為ss-DNA和Y形DNA探針在g-FETs生物傳感器上的示意圖。 （e）不同探針下ΔVDirac在SARS-CoV-2 cDNA濃度為0.03到500份/100μL的人工唾液中的變化。 （f）利用Y-A探針和Y形探針的傳感器的ΔVDirac隨著SARS-CoV-2 cDNA濃度的變化。 （g）sy-DNA濃度在1x10-15至1x10-12M的條件下，Y-A探針和A探針在0.01xPBS條件下的ΔVDirac變換。 （h）暴露在濃度為1μM下的目標DNA生物傳感器的ΔVDirac變化。 所有數據源自三個不同的傳感器。 |
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圖4. 測試臨床SARS-CoV-2樣本結果。 （a）在添加人體H1和臨床P1的樣本后ΔIds/Ids0隨時間的變化曲線。插圖中所示的是診斷P1所用的時間。 （b）ΔIds/Ids0在添加P1-P7和H1-H7后的變換。圖中偏上的插圖為P1-P7診斷時間的箱型圖，圖中偏下的插圖為H1-H7的ΔIds/Ids0值。 （c）g-FET傳感器中的的ΔIds/Ids0隨著P1濃變化的實時反饋結果。 （d）五合一SARS-CoV-2核酸集體檢測示意圖。 （e）在添加陽性樣本B1-B6和陰性樣本A1-A6后，Y形雙探針g-FETs生物傳感器的ΔIds/Ids0事實變化結果。插圖為在添加集體樣本A6和B6后ΔIds/Ids0隨時間的變換。 （f）Y形雙探針g-FETs生物傳感器的測試速度與其他檢測SARS-CoV-2核酸方法速度的對比。 |
【結論】
魏大程教授課題組所研發的Y形雙探針g-FETs生物傳感器，是一種適用于大規模流行病篩選的新手段，突破了傳統篩選手段診斷時間長和不能混合檢測的瓶頸，在流行病篩選方面有巨大的應用前景。同時，從文中也可以看到隨著流行病檢測領域的需求逐漸增多，如何快速開發出符合需求的生物傳感器顯得十分重要。由于實驗過程中需要及時修改相應的參數，得到優化的實驗結果，十分依賴靈活多變的光刻手段。MicroWirter ML3小型臺式無掩膜光刻機可以任意調整光刻圖形，幫助用戶快速實現原型芯片的開發，助力流行病檢測領域的研究。
【參考文獻】
[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
