【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，所產生的信號往往會被其他高濃度分子所產生的信號所干擾，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）的檢測直是醫學/生物分析域的個難題。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難題。所制備的芯片實現了對低濃度離子，生物分子和新·冠病毒（每100 μL中有1到2份）的快速精確檢測。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和芯片穩定性結果。A) V_lg為-0.5V條件下和B) V_lg為0V條件下實時ΔI_ds的變化曲線。C)不同V_lg下，ΔI_ds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，通過探針對定目標進行定吸附，避免了非定吸附，然后再轉換為不同電信號。E)制備芯片的ΔI_ds/ΔI_ds0隨著時間的變化。

圖（3）芯片的通用性，*性和結構設計。A) ∣ΔI_ds/ΔI_ds0∣曲線隨著不同檢測樣品濃度的變化。B) ΔI_ds/ΔI_ds0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∣ΔI_ds/ΔI_ds0∣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）∣ΔI_ds/ΔI_ds0∣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) ∣ΔI_ds/ΔI_ds0∣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，普通發燒和流感患者以及健康人群的檢測結果。F) ΔI_ds/ΔI_ds0對不同濃度樣品的反應時間。插圖為在樣品采集后0-21天時間內的表征結果。G)制備的芯片和傳統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點。該工作為醫學/生物快速精確診斷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學/生物檢測域的需求逐漸增多，如何快速開發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，得到化的實驗結果，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可以任意調整光刻圖形，幫助用戶快速實現原型芯片的開發，助力醫學/生物檢測域的研究。

相關產品

1、小型臺式無掩膜光刻機- MicroWriter ML3

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