【期刊】
Nature Biomedical Engineering IF=25.7
DOI：https://doi.org/10.1038/s41551-021-00833-7
【成果簡介】
由于許多疾病相關生物標志物的濃度超低，所產(chǎn)生的信號往往會被其他高濃度分子所產(chǎn)生的信號所干擾，因此從生物流體中進行超低濃度樣品（每100 μL中有1到10份）的檢測一直是醫(yī)學/生物分析領域的一個難題。近日，復旦大學魏大程教授課題組使用小型臺式無掩膜光刻機- MicroWriter ML3制備了基于石墨烯場效應管的分子微納機電芯片解決了這一難題。所制備的芯片實現(xiàn)了對低濃度離子，生物分子和新冠病毒（每100 μL中有1到2份）的快速檢測。使用該芯片對新冠病毒進行檢測時，僅需鼻咽樣本即可，無需RNA提取和核酸擴增，四分鐘內(nèi)就可得到檢測結果。相關研究論文已在國際知名期刊《Nature Biomedical Engineering》（IF=25.7）上發(fā)表。
【圖文導讀】
圖（1） 分子微納機電和基于石墨烯場效應管的微納機電芯片示意圖。A)分子微納機電芯片示意圖。B) 分子微納機電探針在不同靜電場中工作原理示意圖。探針與作為懸臂梁的單鏈DNA相連，然后被一個由雙鏈DNA所組成的四面體結構固定在石墨烯表面。E為外加電場方向。C)基于液態(tài)門石墨烯場效應管的微納機電芯片示意圖。D)使用小型臺式無掩膜光刻機- MicroWriter ML3制備器件的數(shù)碼照片。E) 小型臺式無掩膜光刻機- MicroWriter ML3制備電的光學顯微照片。F)制備后的石墨烯表面的AFM表面成像結果。G)-I)不同外加電場條件下，單鏈DNA的熒光表征結果。
圖（2）超靈敏生物探測系統(tǒng)和芯片穩(wěn)定性結果。A) Vlg為-0.5V條件下和B) Vlg為0V條件下實時ΔIds的變化曲線。C)不同Vlg下，ΔIds隨著凝血酶濃度的變化。D)分子微納機電部分探測原理。由于探針較高的表面覆蓋率，通過探針對特定目標進行特定吸附，避免了非特定吸附，然后再轉(zhuǎn)換為不同電信號。E)制備芯片的ΔIds/ΔIds0隨著時間的變化。
圖（3）芯片的通用性，特性和結構設計。A) ∣ΔIds/ΔIds0∣曲線隨著不同檢測樣品濃度的變化。B) ΔIds/ΔIds0隨著ATP濃度的變化。C)制備芯片對選定樣品和非選定樣品不同的∣ΔIds/ΔIds0∣結果。D)DNA四面體示意圖。E)不同的DNA結構對狄拉克點位移的影響。
圖（4）新冠病毒的核酸檢測。A)使用制備芯片和傳統(tǒng)PCR法進行核酸檢測的工作流程。B)用于探測和樣品選定的基因序列圖。C）∣ΔIds/ΔIds0∣曲線隨著不同檢測樣品濃度的變化。插圖中展示了檢測的靈敏度。D) ∣ΔIds/ΔIds0∣隨著不同樣本的改變。F1為PCR檢測為陰性的1號樣本。P1為PCR檢測為陽性的1號樣本。插圖中展示了芯片對25個陽性樣本的平均反應時間。E) 芯片對新冠感染者，普通發(fā)燒和流感患者以及健康人群的檢測結果。F) ΔIds/ΔIds0對不同濃度樣品的反應時間。插圖為在樣品采集后0-21天時間內(nèi)的表征結果。G)制備的芯片和傳統(tǒng)PCR法對樣品檢測靈敏度的比較。H) 通過和其他測試新冠病毒方法的比較，說明制備的芯片檢測新冠病毒更快更靈敏。
【結論】
魏大程教授課題組使用小型臺式無掩膜光刻機- MicroWriter ML3制備基于石墨烯場效應管的分子微納機電芯片在檢測離子，生物分子和新冠病毒等方面具有快速超高靈敏度等特點。該工作為醫(yī)學/生物快速診斷領域的研究打下了堅實的基礎。同時，從文中也可以看到隨著醫(yī)學/生物檢測領域的需求逐漸增多，如何快速開發(fā)出符合需求的生物芯片顯得十分重要性。由于實驗過程中需要及時修改相應的參數(shù)，得到優(yōu)化的實驗結果，十分依賴靈活多變的光刻手段。小型臺式無掩膜光刻機- MicroWriter ML3可以任意調(diào)整光刻圖形，幫助用戶快速實現(xiàn)原型芯片的開發(fā)，助力醫(yī)學/生物檢測領域的研究。
相關產(chǎn)品
1、小型臺式無掩膜光刻機- MicroWriter ML3
