通過使用熱掃描探針光刻技術(shù)，將不同的生物受體定點(diǎn)固定在單個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管上。每個(gè)生物受體都可以進(jìn)行調(diào)整以檢測(cè)不同的疾病。圖片來源：紐約大學(xué)坦登工程學(xué)院

當(dāng)今世界正面臨多種健康威脅，從快速傳播的病毒到慢性疾病和耐藥細(xì)菌，對(duì)快速、可靠且易于使用的家庭診斷檢測(cè)的需求從未如此強(qiáng)烈。想象一下，在未來，任何人都可以使用像智能手表這樣小巧便攜的設(shè)備在任何地方進(jìn)行這些測(cè)試。為此，您需要能夠檢測(cè)空氣中微小濃度的病毒或細(xì)菌的微芯片。

現(xiàn)在，新的研究表明，可以開發(fā)和構(gòu)建微芯片，這些芯片不僅可以從單個(gè)咳嗽或空氣樣本中識(shí)別多種疾病，還可以大規(guī)模生產(chǎn)。來自紐約大學(xué) Tandon 教師的團(tuán)隊(duì)包括電氣與計(jì)算機(jī)工程教授 Davood Shahrjerdi;Herman F. Mark 化學(xué)和生物分子工程教授 Elisa Riedo;以及 Giuseppe de Peppo，化學(xué)和生物分子工程行業(yè)副教授，之前曾在 Mirimus 工作。

“這項(xiàng)研究為生物傳感領(lǐng)域開辟了新的視野。微芯片是智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)和其他智能設(shè)備的支柱，它改變了人們的通信、娛樂和工作方式。同樣，今天，我們的技術(shù)將使微芯片能夠徹底改變醫(yī)療保健，從醫(yī)療診斷到環(huán)境健康，“Riedo 說，

Shahrjerdi 說：“本文中展示的創(chuàng)新技術(shù)使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （FET），這是一種微型電子傳感器，可直接檢測(cè)生物標(biāo)志物并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，為傳統(tǒng)的基于顏色的化學(xué)診斷測(cè)試（如家庭妊娠測(cè)試）提供了替代方案。

“這種先進(jìn)的方法可以更快地獲得結(jié)果，同時(shí)檢測(cè)多種疾病，并立即將數(shù)據(jù)傳輸給醫(yī)療保健提供者，”Sharjerdi 說，他也是紐約大學(xué)納米制造潔凈室的主任，這是一個(gè)最先進(jìn)的設(shè)施，本研究中使用的一些芯片就是在這里制造的。Riedo 和 Shahrjerdi 也是紐約大學(xué) NanoBioX 計(jì)劃的聯(lián)合主任。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的主要產(chǎn)品，正在成為尋求診斷儀器的強(qiáng)大工具。這些微型設(shè)備可以用作生物傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)特定的病原體或生物標(biāo)志物，而無需化學(xué)標(biāo)簽或冗長的實(shí)驗(yàn)室程序。通過將生物相互作用轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)，基于 FET 的生物傳感器提供了一個(gè)快速、多功能的診斷平臺(tái)。

最近的進(jìn)展通過結(jié)合納米線、氧化銦和石墨烯等納米級(jí)材料，將 FET 生物傳感器的檢測(cè)能力推向了非常小的水平——低至飛摩爾濃度或一千萬億摩爾。然而，盡管具有潛力，基于 FET 的傳感器仍然面臨重大挑戰(zhàn)：它們難以在同一芯片上同時(shí)檢測(cè)多種病原體或生物標(biāo)志物。

目前定制這些傳感器的方法，例如將抗體等生物受體滴鑄到 FET 表面，缺乏更復(fù)雜的診斷任務(wù)所需的精度和可擴(kuò)展性。

為了解決這個(gè)問題，這些研究人員正在探索修改 FET 表面的新方法，允許定制芯片上的每個(gè)晶體管以檢測(cè)不同的生物標(biāo)志物。這將使多種病原體的并行檢測(cè)成為可能。

進(jìn)入熱掃描探針光刻 （tSPL），這是一項(xiàng)突破性技術(shù)，可能是克服這些障礙的關(guān)鍵。該技術(shù)允許對(duì)聚合物涂層芯片進(jìn)行精確的化學(xué)圖案化，從而能夠以高達(dá) 20 納米的分辨率使用不同的生物受體（例如抗體或適配體）對(duì)單個(gè) FET 進(jìn)行功能化。這與當(dāng)今先進(jìn)半導(dǎo)體芯片中晶體管的微小尺寸相當(dāng)。

通過允許對(duì)每個(gè)晶體管進(jìn)行高度選擇性的修改，這種方法為基于 FET 的傳感器的開發(fā)打開了大門，這些傳感器可以在單個(gè)芯片上檢測(cè)各種病原體，具有無與倫比的靈敏度。

Riedo 在 tSPL 技術(shù)的開發(fā)和推廣中發(fā)揮了重要作用，他認(rèn)為它在這里的使用進(jìn)一步證明了這種納米制造技術(shù)可以用于實(shí)際應(yīng)用的開創(chuàng)性方式�！皌SPL 現(xiàn)在是一種市售的光刻技術(shù)，一直是用不同的生物受體對(duì)每個(gè) FET 進(jìn)行功能化以實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用的關(guān)鍵，”她說。

在測(cè)試中，使用 tSPL 功能化的 FET 傳感器顯示出卓越的性能，可檢測(cè)低至 3 阿摩爾 （aM） 濃度的 SARS-CoV-2 刺突蛋白和低至 10 個(gè)活病毒顆粒/毫升，同時(shí)有效區(qū)分不同類型的病毒，包括甲型流感病毒。能夠以高特異性可靠地檢測(cè)如此微量的病原體，是創(chuàng)造便攜式診斷設(shè)備的關(guān)鍵一步，這些設(shè)備有朝一日可以在從醫(yī)院到家庭的各種環(huán)境中使用。

這項(xiàng)研究現(xiàn)已發(fā)表在《納米尺度》（Nanoscale）雜志上，得到了布魯克林生物技術(shù)公司Mirimus和澳大利亞跨國建筑和房地產(chǎn)公司LendLease的支持。他們正在與紐約大學(xué) Tandon 團(tuán)隊(duì)合作，分別開發(fā)疾病檢測(cè)可穿戴設(shè)備和家用設(shè)備。

“這項(xiàng)研究展示了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界合作的力量，以及它如何改變現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的面貌，”Mirimus 總裁兼首席執(zhí)行官 Prem Premsrirut 說�！癗YU Tandon 的研究人員正在開展的工作將在未來的疾病檢測(cè)中發(fā)揮重要作用�！�

“Lendlease 等公司和其他參與城市更新的開發(fā)商正在尋找這樣的創(chuàng)新解決方案，以感知建筑物中的生物威脅，”該項(xiàng)目的合作者、加州大學(xué)伯克利分校的 Alberto Sangiovanni Vincentelli 說�！跋襁@樣的生物防御措施將成為未來建筑的新基礎(chǔ)設(shè)施”

隨著半導(dǎo)體制造的不斷發(fā)展，將數(shù)十億個(gè)納米級(jí) FET 集成到微芯片上，將這些芯片用于生物傳感應(yīng)用的潛力變得越來越可行。一種通用的、可擴(kuò)展的方法，用于以納米級(jí)精度對(duì) FET 表面進(jìn)行功能化，將能夠創(chuàng)建復(fù)雜的診斷工具，這些工具能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)多種疾病，其速度和準(zhǔn)確性可以改變現(xiàn)代醫(yī)學(xué)。

更多信息：Alexander James Wright 等人，用于生物傳感應(yīng)用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的納米級(jí)定位多路復(fù)用生物激活，納米級(jí)（2024 年）。

DOI： 10.1039/D4NR02535K

期刊信息： Nanoscale 

由紐約大學(xué)坦登工程學(xué)院提供