基于場效應原理的COVID-19抗體/抗原電子傳感器
作者：經(jīng)求是 材料學院
指導老師：符汪洋 材料學院
關鍵詞：石墨烯，場效應晶體管，刺突蛋白，傳感
摘要
本項目旨在開發(fā)一種基于石墨烯場效應原理的冠狀病毒抗原/抗體檢測傳感器，利用抗體對石墨烯表面功能化、檢測抗原抗體特異性結合反應時的電信號變化，并制作便攜式傳感設備樣機。
背景與原理
傳統(tǒng)的病毒檢測方法，如聚合酶鏈式反應（PCR）、酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA）等，有具有耗時長、成本高昂、需要對目標分子進行增殖、集聚、標記等前處理、難以重復使用等局限。
免標記石墨烯場效應晶體管（GFET）生物傳感器件通過將具有優(yōu)異的電子學特性和化學穩(wěn)定的石墨烯材料與電學測量、化學修飾及生物識別檢測等技術有機結合，能有效感知傳感器表面的微小變化，實現(xiàn)高靈敏檢測。
基于GFET的冠狀病毒抗原/抗體檢測傳感器為以石墨烯為溝道材料、以體液環(huán)境為液體柵的場效應晶體管結構（如圖1所示）。石墨烯表面通過非共價交聯(lián)（π-π相互作用和/或疏水相互作用和/或靜電相互作用）與SARS-CoV刺突糖蛋白S1亞基抗體（CSAb）或人血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2（ACE2）結合，以實現(xiàn)對新冠病毒的刺突糖蛋白S1亞基抗原（包含受體結合閾，RBD）的特異性檢測。測試時S1蛋白抗原與石墨烯表面的CSAb/ACE2結合，通過場效應影響石墨烯載流子濃度從而改變GFET的源漏電導。該過程發(fā)生在液體柵中，可通過掃描液柵電壓與源漏電流曲線的電荷中性點（CNP點，也稱Dirac點）位置的偏移反映S1蛋白抗原的濃度。該方法可以擺脫繁瑣的前處理過程，有望實現(xiàn)體液中快速檢測。
圖1 基于GFET的抗原/抗體傳感原理示意圖
實驗結果
首先完成了CSAb/ACE2與石墨烯表面結合的初步實驗，加入不同濃度S1蛋白抗原時，得到了最低0.2pM（使用CSAb）和0.1nM（使用ACE2）的檢測極限濃度（如圖2所示）。隨后改進用PBASE分子作交聯(lián)劑，芘環(huán)與石墨烯表面形成牢固的π-π相互作用，酰亞胺基與CSAb抗體相連，并用TWEEN-20乳化劑對石墨烯表面未功能化的區(qū)域進行封閉，以排除背景溶液中雜質(zhì)在石墨烯表面非特異性吸附的影響。測得10-17 M（約1 fg/ml）的檢測極限，并且△Vref與濃度對數(shù)呈現(xiàn)出線性的關系（如圖3所示），而同樣基于免疫檢測的經(jīng)典的ELISA方法目前報道的檢測極限為4 ng/ml。
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圖2 在0.1 mM PBS緩沖溶液中加入0.2 pM至10 nM各種濃度的S1溶液后，修飾CSAb(a)/ACE2(b)的GFET的Vref隨時間的變化
圖3 在0.1 mM PBS緩沖溶液中加入10-17M至10-11M濃度的S1抗原溶液后，PBASE輔助修飾CSAb的GFET的Vref隨時間的變化(a)以及△Vref隨抗原濃度對數(shù)的線性擬合曲線(b)
便攜傳感設備開發(fā)
與廣東松山湖材料實驗室合作，研發(fā)讀取功能化石墨烯場效應傳感芯片的便攜傳感設備，采用鎖相放大器技術提高信噪比，結合微弱電流前置放大器，檢測芯片上的電信號的微小變化。并通過算法自動尋找石墨烯轉(zhuǎn)移曲線的Dirac點并計算加抗原前后的變化值（樣機照片與軟件界面如圖4、5所示）。
該原理可遷移至其他已明確免疫機理的病原體檢測，為日后快速開發(fā)通用型傳感設備以應對突發(fā)性公共衛(wèi)生實踐提供技術驗證。
圖4 便攜傳感設備示意圖與樣機照片
圖5 檢測軟件界面
