為了抗擊新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情這一全球性挑戰，大量研究人員投入到了相關的疫苗、藥物和檢測機制的研究和開發中。
其中，COVID-19的檢測對于及時治療和隔離，以挽救患者的生命并有效阻止COVID-19疾病的傳播至關重要。
而生物傳感技術對于檢測和控制這類疾病發揮著至關重要的作用。在各種生物傳感技術中，場效應晶體管（FET）因其能夠有效檢測出樣本中存在的少量COVID-19病毒而具有獨特的地位。
據麥姆斯咨詢報道，近期，來自阿聯酋大學（United Arab Emirates University）的研究人員于Scientific Reports期刊發表題為“Real-time COVID-19 detection via graphite oxide-based field-effect transistor biosensors decorated with Pt/Pd nanoparticles”的論文，報道了一種用于實時檢測溶液中COVID-19刺突抗原的氧化石墨烯場效應晶體管（GO-FET）電子生物傳感器。
該GO-FET生物傳感器采用雙金屬鉑/鈀（Pd/Pt）納米顆粒修飾，用于COVID-19病毒的特異性檢測。其中，Pd/Pt納米顆粒通過濺射和惰性氣體冷凝技術在超高真空兼容系統中生成，并在氧化石墨烯上進行自組裝。之后，氧化石墨烯通道被新冠病毒（SARS-CoV-2）刺突抗體功能化。
最后，通過測量其對1fg/ml至100ng/ml濃度范圍內的刺突蛋白的動態響應，明確了這種新型COVID-19生物傳感器的性能。
場效應晶體管生物傳感器的制備
這款GO-FET生物傳感器采用由p型硅（Si）襯底以及覆蓋其上的二氧化硅（SiO2）介電層組成的p型硅片（Si/SiO2）制備。圖1展示了GO-FET生物傳感器的制作步驟。首先使用丙酮、乙醇和去離子水來清潔硅片。然后用氮氣干燥。接著，采用熱蒸發工藝以及不銹鋼掩膜將源極和漏極沉積到p型硅片襯底上。
在該研究中，源極和漏極由5納米的鎳鉻（NiCr）層和50納米的金（Au）層組成，其中NiCr層用于提高硅片與Au電極之間的粘附性。然后，在Au電極之間沉積一滴4mg/mL的商用氧化石墨烯（GO），并在室溫下放置24小時干燥，形成場效應晶體管通道。
圖1 氧化石墨烯場效應晶體管（GO-FET）生物傳感器的制備步驟示意圖
場效應晶體管（FET）的特性
在室溫下讀取GO-FET的電特性。圖2顯示了在有無修飾Pd/Pt納米顆粒的情況下，傳感器的漏極電流（Id）與漏源極電壓（Vds）曲線。
圖中顯示了Id和Vds之間的線性關系，其中Id隨著Vds的增加而增加。可以注意到的是，雙金屬納米顆粒的加入導致在相同的Vds下有更高的Id，因為Pd/Pt的雙金屬納米顆粒比氧化石墨烯表現出更高的導電性。
圖2 在有無修飾雙金屬納米顆粒的情況下，兩種氧化石墨烯（GO）傳感器的Id?- Vds特性
傳感機制
圖3展示了這款GO-FET生物傳感器的工作機制。如圖3a所示，電極由Au制成，而通道由半導體氧化石墨烯制成。
圖3b、3c分別顯示了被固定到氧化石墨烯通道上的COVID-19刺突蛋白抗體以及被抗體所捕獲的COVID-19刺突蛋白靶分子。
如圖3d所示，當帶負電荷的靶分子與GO-FET生物傳感器結合時，載流子的耗竭導致電流下降。此外，加入磁性COVID-19刺突蛋白抗體后，電流進一步減小，如圖3e、3f所示。
圖3 GO-FET生物傳感器工作機制
此外，為了研究GO-FET生物傳感器的性能，研究人員利用中東呼吸綜合征（MERS）刺突蛋白抗體或COVID-19刺突蛋白抗體將GO-FET通道功能化。如圖4所示，由MERS抗體功能化的GO-FET沒有因加入COVID-19刺突抗原而顯示出任何顯著的電流變化。
而如圖5所示，GO-FET被COVID-19刺突抗體功能化后能夠檢測COVID-19刺突抗原。因此，COVID-19刺突抗體是與COVID-19刺突抗原特異性結合所必需的。
進一步地，研究人員研究了用Pd/Pt雙金屬納米顆粒修飾的GO-FET生物傳感器，并使用COVID-19刺突抗體對傳感器進行了功能化，如圖5b所示。研究發現，含有納米顆粒的生物傳感器啟動電流比不含納米顆粒的生物傳感器啟動電流高。
此外，修飾納米顆粒但未修飾磁性抗體的生物傳感器的ΔI為4.3μA，修飾納米顆粒和磁性抗體的生物傳感器的ΔI為21.66μA。
未修飾納米顆粒和磁性抗體的生物傳感器的ΔI為4.2μA，未修飾納米顆粒但修飾磁性抗體的生物傳感器的ΔI為10.96μA。這表明單獨修飾磁性標記二抗或Pt/Pd納米顆粒或兩者都修飾均可提高該生物傳感器的靈敏度。
圖4 加入0.4μL 1pg/mL的COVID-19刺突抗原液滴后，由中東呼吸綜合征（MERS）抗體修飾的GO-FET生物傳感器所檢測到的漏極電流變化。
圖5 加入0.4μL 1pg/mL的COVID-19刺突抗原液滴后，由COVID-19刺突抗體修飾的GO-FET生物傳感器所檢測到的漏極電流變化：（a）未修飾納米顆粒；（b）修飾Pd/Pt納米顆粒。
綜上所述，該研究所開發的GO-FET生物傳感器為檢測COVID-19刺突抗原提供了一種快速、靈敏和簡單的方法，并有用于檢測生物樣品中COVID-19病毒的潛力。這種檢測技術還可以用于檢測其他類型的病毒和細菌抗原，以及各種疾病的生物標記物。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41598-022-22249-2
審核編輯：劉清