【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(gè)體對(duì)于流行病學(xué)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(xué)和病毒核酸測(cè)試，主要是以分析逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)作為金標(biāo)準(zhǔn)，此方法在檢測(cè)中核酸提取和擴(kuò)增程序耗時(shí)較長(zhǎng)，很難滿足對(duì)廣泛人群進(jìn)行篩查的要求，因此，亟需發(fā)展一種快速的監(jiān)測(cè)方法應(yīng)對(duì)新冠疫情。
【成果簡(jiǎn)介】
近期，復(fù)旦大學(xué)魏大程教授課題組利用MicroWriter ML3小型臺(tái)式無掩膜光刻機(jī)制備出基于石墨烯場(chǎng)效應(yīng)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(shí)現(xiàn)新冠病毒的核酸檢測(cè)分析。該傳感器中的雙探針設(shè)計(jì)，可以同時(shí)靶向新冠病毒核酸的兩個(gè)目標(biāo)基因區(qū)域：ORF1ab和N基因，從而實(shí)現(xiàn)更高的識(shí)別率和更低的檢出限（0.03份μL?1)。這一檢出限比現(xiàn)有的核酸分析低1-2個(gè)數(shù)量，可避免混檢過程中樣本病毒載量較低而產(chǎn)生漏網(wǎng)之魚，實(shí)現(xiàn)的混合測(cè)試。該傳感器也具有快的檢測(cè)速度，快的核酸檢測(cè)速度約為1分鐘。由于快速、超靈敏、易于操作等特點(diǎn)以及混合檢測(cè)的能力，這一傳感器在大規(guī)模范圍內(nèi)篩查新冠病毒和其他流行病感染者方面具有巨大的應(yīng)用前景。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1. 基于g-FET的Y形雙探針生物傳感器的制備和表征。
?。╝）Y形雙探針生物傳感器進(jìn)行SARS-CoV-2核酸檢測(cè)的流程圖。
?。╞）選定的病毒序列和探針在檢測(cè)SARS-CoV-2時(shí)所靶向的核酸。ORF1ab: 非結(jié)構(gòu)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(shù)字表示SARS-CoV-2 NC_045512在GenBank中基因組的位置。
?。╟）封裝好的器件。圖中的比例尺為1 cm。
?。╠）石墨烯通道的光學(xué)照片。
?。╡）在石墨烯上的Cy3共軛Y型雙探針。圖中的比例尺為250 μm。
圖2. Y形雙探針g-FET生物傳感器進(jìn)行SARS-CoV-2核酸測(cè)試的性能表現(xiàn)。
?。╝）SARS-CoV-2核酸樣本準(zhǔn)備流程。
?。╞）和（c）ΔIds/Ids0隨著SARS-CoV-2 IVT-RNA增加的實(shí)時(shí)改變。
?。╠）ΔIds/Ids0隨著SARS-CoV-2 IVT-RNA或cDNA濃度的變化曲線圖。
?。╡）ΔIds/Ids0在檢測(cè)到人類，SARS-CoV和SARS-CoV-2的cDNA和IVT-RNA時(shí)的反應(yīng)。所有數(shù)據(jù)源自三個(gè)不同的傳感器。
圖3. Y形DNA探針和ss-DNA探針的g-FETs生物傳感器的測(cè)試表現(xiàn)對(duì)比。
?。╝, b）在石墨烯上的ss-DNA探針和Y形DNA探針的AFM表征結(jié)果。
?。╟, 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。
?。╡）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。
?。╢）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。
?。╣）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。
?。╤）暴露在濃度為1μM下的目標(biāo)DNA生物傳感器的ΔVDirac變化。
所有數(shù)據(jù)源自三個(gè)不同的傳感器。
圖4. 測(cè)試臨床SARS-CoV-2樣本結(jié)果。
?。╝）在添加人體H1和臨床P1的樣本后ΔIds/Ids0隨時(shí)間的變化曲線。插圖中所示的是診斷P1所用的時(shí)間。
?。╞）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(shí)間的箱型圖，圖中偏下的插圖為H1-H7的ΔIds/Ids0值。
?。╟）g-FET傳感器中的的ΔIds/Ids0隨著P1濃變化的實(shí)時(shí)反饋結(jié)果。
?。╠）五合一SARS-CoV-2核酸集體檢測(cè)示意圖。
?。╡）在添加陽(yáng)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(shí)變化結(jié)果。插圖為在添加集體樣本A6和B6后ΔIds/Ids0隨時(shí)間的變換。
?。╢）Y形雙探針g-FETs生物傳感器的測(cè)試速度與其他檢測(cè)SARS-CoV-2核酸方法速度的對(duì)比。
【結(jié)論】
魏大程教授課題組所研發(fā)的Y形雙探針g-FETs生物傳感器，是一種適用于大規(guī)模流行病篩選的新手段，突破了傳統(tǒng)篩選手段診斷時(shí)間長(zhǎng)和不能混合檢測(cè)的瓶頸，在流行病篩選方面有巨大的應(yīng)用前景。同時(shí)，從文中也可以看到隨著流行病檢測(cè)領(lǐng)域的需求逐漸增多，如何快速開發(fā)出符合需求的生物傳感器顯得十分重要。由于實(shí)驗(yàn)過程中需要及時(shí)修改相應(yīng)的參數(shù)，得到優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，十分依賴靈活多變的光刻手段。MicroWirter ML3小型臺(tái)式無掩膜光刻機(jī)可以任意調(diào)整光刻圖形，幫助用戶快速實(shí)現(xiàn)原型芯片的開發(fā)，助力流行病檢測(cè)領(lǐng)域的研究。
【參考文獻(xiàn)】
[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
【相關(guān)產(chǎn)品】
1、小型臺(tái)式無掩膜光刻機(jī)- MicroWriter ML3
