复旦大学魏大程课题组用无掩膜光刻机开发出新型新·冠病毒检测设备

【期刊】

Nature Biomedical Engineering IF=25.7

DOI：https://doi.org/10.1038/s41551-021-00833-7

【成果简介】

由于许多疾病相关生物标志物的浓度超低，所产生的信号往往会被其他高浓度分子所产生的信号所干扰，因此从生物流体中进行超低浓度样品（每100 μL中有1到10份）的检测直是医学/生物分析域的个难题。近日，复旦大学魏大程教授课题组使用小型台式无掩膜光刻机- MicroWriter ML3制备了基于石墨烯场效应管的分子微纳机电芯片解决了这难题。所制备的芯片实现了对低浓度离子，生物分子和新·冠病毒（每100 μL中有1到2份）的快速精确检测。使用该芯片对新·冠病毒进行检测时，仅需鼻咽样本即可，无需RNA提取和核酸扩增，四分钟内就可得到检测结果。相关研究论文已在国际知·名期刊《Nature Biomedical Engineering》（IF=25.7）上发表。

【图文导读】

图（1） 分子微纳机电和基于石墨烯场效应管的微纳机电芯片示意图。A)分子微纳机电芯片示意图。B) 分子微纳机电探针在不同静电场中工作原理示意图。探针与作为悬臂梁的单链DNA相连，然后被个由双链DNA所组成的四面体结构固定在石墨烯表面。E为外加电场方向。C)基于液态门石墨烯场效应管的微纳机电芯片示意图。D)使用小型台式无掩膜光刻机- MicroWriter ML3制备器件的数码照片。E) 小型台式无掩膜光刻机- MicroWriter ML3制备电的光学显微照片。F)制备后的石墨烯表面的AFM表面成像结果。G)-I)不同外加电场条件下，单链DNA的荧光表征结果。

图（2）超灵敏生物探测系统和芯片稳定性结果。A) V_lg为-0.5V条件下和B) V_lg为0V条件下实时ΔI_ds的变化曲线。C)不同V_lg下，ΔI_ds随着凝血酶浓度的变化。D)分子微纳机电部分探测原理。由于探针较高的表面覆盖率，通过探针对定目标进行定吸附，避免了非定吸附，然后再转换为不同电信号。E)制备芯片的ΔI_ds/ΔI_ds0随着时间的变化。

图（3）芯片的通用性，*性和结构设计。A) ∣ΔI_ds/ΔI_ds0∣曲线随着不同检测样品浓度的变化。B) ΔI_ds/ΔI_ds0随着ATP浓度的变化。C)制备芯片对选定样品和非选定样品不同的∣ΔI_ds/ΔI_ds0∣结果。D)DNA四面体示意图。E)不同的DNA结构对狄拉克点位移的影响。

图（4）新·冠病毒的核酸检测。A)使用制备芯片和传统PCR法进行核酸检测的工作流程。B)用于探测和样品选定的基因序列图。C）∣ΔI_ds/ΔI_ds0∣曲线随着不同检测样品浓度的变化。插图中展示了检测的灵敏度。D) ∣ΔI_ds/ΔI_ds0∣随着不同样本的改变。F1为PCR检测为阴性的1号样本。P1为PCR检测为阳性的1号样本。插图中展示了芯片对25个阳性样本的平均反应时间。E) 芯片对新·冠感染者，普通发烧和流感患者以及健康人群的检测结果。F) ΔI_ds/ΔI_ds0对不同浓度样品的反应时间。插图为在样品采集后0-21天时间内的表征结果。G)制备的芯片和传统PCR法对样品检测灵敏度的比较。H) 通过和其他测试新·冠病毒方法的比较，说明制备的芯片检测新·冠病毒更快更灵敏。

【结论】

魏大程教授课题组使用小型台式无掩膜光刻机- MicroWriter ML3制备基于石墨烯场效应管的分子微纳机电芯片在检测离子，生物分子和新·冠病毒等方面具有快速超高灵敏度等点。该工作为医学/生物快速精确诊断域的研究打下了坚实的基础。同时，从文中也可以看到随着医学/生物检测域的需求逐渐增多，如何快速开发出符合需求的生物芯片显得十分重要性。由于实验过程中需要及时修改相应的参数，得到化的实验结果，十分依赖灵活多变的光刻手段。小型台式无掩膜光刻机- MicroWriter ML3可以任意调整光刻图形，帮助用户快速实现原型芯片的开发，助力医学/生物检测域的研究。

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