COVID-19電化學(xué)傳感平臺(tái)。來源：伊利諾伊大學(xué)

隨著COVID-19大流行繼續(xù)在世界各地蔓延，檢測仍然是跟蹤和遏制病毒的關(guān)鍵策略。生物工程研究生Maha Alafeef共同開發(fā)了一種快速，超靈敏的測試，使用基于紙張的電化學(xué)傳感器，可以在不到五分鐘的時(shí)間內(nèi)檢測到病毒的存在。由Dipanjan Pan教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在ACS Nano上報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。

“目前，我們正在經(jīng)歷一個(gè)百年一遇的改變生活的事件，”阿拉菲夫說。“我們正在通過開發(fā)用于SARS-CoV-2早期發(fā)現(xiàn)、診斷和治療的多學(xué)科工具來從整體方法應(yīng)對(duì)這一全球需求�！�

市場上有兩大類 COVID-19 測試。第一類使用逆轉(zhuǎn)錄酶實(shí)時(shí)聚合酶鏈反應(yīng)（RT-PCR）和核酸雜交策略來鑒定病毒RNA。目前FDA批準(zhǔn)的診斷測試使用這種技術(shù)。一些缺點(diǎn)包括完成測試所需的時(shí)間，對(duì)專業(yè)人員的需求以及設(shè)備和試劑的可用性。

第二類測試側(cè)重于抗體的檢測。然而，在一個(gè)人接觸病毒后，可能會(huì)延遲幾天到幾周，以便他們產(chǎn)生可檢測的抗體。

近年來，研究人員在使用石墨烯等2D納米材料檢測疾病方面取得了一些成功�；�于石墨烯的生物傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是其靈敏度，低生產(chǎn)成本和快速檢測周轉(zhuǎn)�！笆�墨烯的發(fā)現(xiàn)由于其特性開辟了傳感器開發(fā)的新時(shí)代。石墨烯具有獨(dú)特的機(jī)械和電化學(xué)性能，使其成為開發(fā)敏感電化學(xué)傳感器的理想選擇，“Alafeef說。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)基于石墨烯的電化學(xué)生物傳感器，具有電讀出裝置，以選擇性地檢測SARS-CoV-2遺傳物質(zhì)的存在。

該生物傳感器有兩個(gè)組件：用于測量電讀數(shù)的平臺(tái)和用于檢測病毒RNA存在的探針。為了創(chuàng)建該平臺(tái)，研究人員首先在濾紙上涂上一層石墨烯納米片以創(chuàng)建導(dǎo)電膜。然后，他們將具有預(yù)定義設(shè)計(jì)的金電極放置在石墨烯頂部，作為電讀數(shù)的接觸墊。金和石墨烯都具有高靈敏度和導(dǎo)電性，這使得該平臺(tái)對(duì)檢測電信號(hào)的變化非常敏感。

目前基于 RNA 的 COVID-19 測試篩查 SARS-CoV-2 病毒上是否存在 N 基因（核衣殼磷蛋白）。在這項(xiàng)研究中，研究小組設(shè)計(jì)了反義寡核苷酸（ASOs）探針，以靶向N基因的兩個(gè)區(qū)域。靶向兩個(gè)區(qū)域可確保在一個(gè)區(qū)域發(fā)生基因突變時(shí)傳感器的可靠性。此外，金納米顆粒（AuNP）被這些單鏈核酸（ssDNA）覆蓋，這是SARS-CoV-2 RNA的超靈敏傳感探針。

研究人員之前在ACS Nano上發(fā)表的早期工作中展示了所開發(fā)的傳感探針的靈敏度。病毒RNA與這些探針的雜交會(huì)導(dǎo)致傳感器電響應(yīng)的變化。AuNP帽加速電子轉(zhuǎn)移，當(dāng)通過傳感平臺(tái)廣播時(shí)，導(dǎo)致輸出信號(hào)增加并指示病毒的存在。

該團(tuán)隊(duì)通過使用 COVID-19 陽性和陰性樣本測試了該傳感器的性能。與陰性樣本相比，傳感器顯示陽性樣本的電壓顯著增加，并在不到五分鐘的時(shí)間內(nèi)確認(rèn)了病毒遺傳物質(zhì)的存在。此外，該傳感器能夠區(qū)分這些樣品中的病毒RNA載量。病毒載量是感染進(jìn)展的重要定量指標(biāo)，也是使用現(xiàn)有診斷方法測量的挑戰(zhàn)。

由于其便攜性和低成本，該平臺(tái)具有深遠(yuǎn)的應(yīng)用。當(dāng)傳感器與微控制器和LED屏幕或通過藍(lán)牙或wifi與智能手機(jī)集成時(shí)，可以在醫(yī)生辦公室甚至家中的護(hù)理點(diǎn)使用。除了COVID-19之外，研究小組還預(yù)計(jì)該系統(tǒng)將適用于檢測許多不同的疾病。

“生物工程的無限潛力一直以其創(chuàng)新的轉(zhuǎn)化應(yīng)用激發(fā)我的興趣，”Alafeef說�！拔液芨吲d看到我的研究項(xiàng)目對(duì)解決現(xiàn)實(shí)世界的問題產(chǎn)生影響。我要感謝我的博士導(dǎo)師Dipanjan Pan教授的無盡支持，研究科學(xué)家Parikshit Moitra博士和研究助理Ketan Dighe為這項(xiàng)研究的成功提供了幫助和貢獻(xiàn)。