基于微流控集成的石墨烯场效应晶体管生物传感器用于灵敏检测与鉴别SARS-CoV-2重点关注变异株

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Microfluidic-integrated graphene field-effect transistor biosensor for sensitive detection and discrimination of SARS-CoV-2 variants of concern

　　一种基于G-FET的生物传感器被开发出来用于检测SARS-CoV-2刺突蛋白，包括关注变异株（VOCs）。对低至10 ag/mL浓度的检测具有高度敏感能力。采用ACE2受体功能化石墨烯的定制微流控装置。有可能同时识别关注变异株和样本浓度。SARS-CoV-2与MERS刺突蛋白之间表现出强结合选择性。## 引言截至2026年5月，据世界卫生组织官方网站（https://covid19.who.int，截至2026年5月25日）数据，全球累计确诊COVID-19病例已超过7.79亿例，造成超过700万人死亡。因此，这些数据强调了病毒仍然存在，需要对其表征和检测进行进一步研究。尽管严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）的致病机制尚未完全阐明，但研究表明它利用血管紧张素转化酶II（ACE2）作为进入宿主细胞的入口[1]。值得注意的是，ACE2也被确认为SARS-CoV的已识别细胞受体[2]。SARS-CoV-2的早期检测对于防止其快速传播至关重要，尤其是由于突变会降低诊断准确性[3]。大多数突变发生在刺突（S）蛋白上，该蛋白与ACE2受体结合以启动病毒附着[4]。自2020年末以来，已发现多个具有重要生物学意义的突变。从2020年3月的D614G变异株开始，病毒已演变为一系列关注变异株（VOCs），如Alpha、Delta和Omicron等，这些变异株与更高的传播性、增加的毒力以及抗体和治疗性单克隆抗体疗效降低有关[5]、[6]。因此，开发成本效益高的方法来区分病毒变异株对于推进诊断技术仍然至关重要。对特定变异株进行全面表征的最佳方法是全基因组测序（WGS）[7]。同样，逆转录聚合酶链反应（RT-PCR）可实现从临床样本中检测SARS-CoV-2的基因或蛋白[8]。然而，这些方法昂贵且耗时。基于场效应晶体管（FET）的生物传感器正因其卓越灵敏度、快速测量、所需分析物量小及低成本制造而日益受到关注[9]。液体门控FET尤为具有实用优势，包括增强了分析物向传感器表面的输运以及与微流控系统无缝集成。通过电极对液体施加的门电压控制沟道电导率。这些传感器通常在低漏源电压和门电压下工作，使其节能且用途广泛。液体门控FET与微流控平台的集成可实现连续制备步骤，如在同一系统中进行清洗和活化，进一步增强了灵敏度，并允许多重检测，使其成为芯片实验室应用的理想选择[10]。为实现FET生物传感器的高灵敏度和快速响应，二维（2D）纳米材料被越来越多地应用[11]。其中，石墨烯——由碳原子以六方晶格排列而成的单原子层——由于其高载流子迁移率和大表面积与体积比而特别具有吸引力[12]。这些特性使石墨烯成为生物传感应用的理想选择[9]、[11]。石墨烯的电学特性可通过掺杂和门控效应进行调节，从而调整材料中的载流子密度[13]。石墨烯场效应晶体管（G-FET）生物传感器的工作原理基于分析物-受体结合在沟道界面处引起的沟道载流子密度变化[14]。G-FET的传输特性，如指示石墨烯掺杂的狄拉克电压（VD）偏移或在特定门电压下的电流变化，可用于确定分析物浓度[15]。石墨烯表面的特定受体功能化使其能够检测病毒蛋白，包括SARS-CoV-2刺突（S）蛋白[16]。早期试验展示了G-FET在极低浓度下检测SARS-CoV-2的潜力。例如，文献[9]开发了一种能够在磷酸盐缓冲盐水中以1 fg/mL检测刺突蛋白、在临床介质中以100 fg/mL检测的G-FET。此外，其他研究报告称使用先进G-FET构型在飞克克级浓度下检测COVID-19刺突蛋白[17]。研究继续致力于优化液体门控G-FET用于即时检测和现场检测应用[11]、[18]、[19]。这些进展凸显了石墨烯基FET生物传感器在SARS-CoV-2变异株检测中的重要性[20]，提供高灵敏度、快速检测以及与微流控系统的集成。然而，目前使用G-FET进行变异株鉴别的研究在很大程度上仍未被探索。在本研究中，我们提出了一种微流控集成的石墨烯基FET生物传感器，用于检测SARS-CoV-2刺突蛋白及其关注变异株，采用重组ACE2作为入口受体。使用商业CVD生长的石墨烯在铜基底上的薄膜，并通过湿法转移至玻璃基底，作为FET沟道。本研究对G-FET传输特性进行分析，用于检测和区分SARS-CoV-2重组刺突蛋白的野生型（WT）以及Alpha、Beta、Delta和Omicron变异株，并对其进行了讨论。在本工作中，使用重组刺突蛋白作为模型分析物来评估传感器性能和变异株依赖性响应。## 章节摘录### 试剂与材料从西班牙Graphenea Semiconductor SLU购买的单双层石墨烯生长在铜箔上并由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）覆盖；聚二甲基硅氧烷（PDMS）从德国DOW Europe购买的Sylgard? 184硅橡胶中获取；2,5-二氧代吡咯烷-1-基4-(芘-1-基)丁酸酯（PBASE）从美国Cayman Chemical获取；甲醇从法国VWR International获取；重组血管紧张素转化酶2（ACE2）以及不同的SARS-CoV-2刺突蛋白变体### 石墨烯表征为验证PBASE在石墨烯上的吸附，我们在石墨烯功能化前后进行了拉曼mapping测量。石墨烯光谱模式参数提供了关于其质量、掺杂和层数的信息[21]、[22]。原始石墨烯显示出较高的2D/G强度比（分布中心为2.9），表明为高质量单层石墨烯。PBASE层的添加使2D/G强度比降至2.25，表明存在额外的分子层。### 结论总之，开发了一种微流控集成的石墨烯基FET生物传感器用于检测不同的SARS-CoV-2刺突蛋白变异株。该生物传感器利用重组ACE2作为结合受体，以商业CVD生长的石墨烯在玻璃基底上形成FET沟道。实时测量和传输特性显示了在改变实验条件下漏源电流和狄拉克电压的变化，揭示了对不同刺突蛋白浓度的响应。### CRediT作者贡献声明**Skirmantas Ker?ulis：**撰写——原稿，调查研究，形式化分析。**Aleksandra ?irvinskyt?：**撰写——审阅与编辑，调查研究。**Antanas Strak?ys：**方法论，调查研究。**Vilius Vertelis：**撰写——审阅与编辑，可视化，验证，数据管理。**Voitech Stankevi?：**撰写——审阅与编辑，监督，方法论，概念化。**Nerija ?urauskien?：**撰写——审阅与编辑，验证，监督，资金获取，概念化。**Tom Yager：**### 声明作者声明没有竞争性的经济利益。### 利益冲突声明作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所述工作。### 致谢本研究获得了**欧洲区域发展基金**（项目编号13.1.1-LMT-K-718-05-0015）与**立陶宛研究委员会**（LMTLT）的资助协议下的资金支持。该资金作为欧盟应对COVID-19疫情的措施提供。TY感谢**欧洲区域发展基金**项目编号1.1.1.2/VIAA/4/20/740的资助。Skirmantas Ker?ulis|Aleksandra ?irvinskyt?|Antanas Strak?ys|Vilius Vertelis|Voitech Stankevi?|Nerija ?urauskien?|Tom Yager|Arūnas Stirk?