基于场效应原理的COVID-19抗体/抗原电子传感器
作者：经求是 材料学院
指导老师：符汪洋 材料学院
关键词：石墨烯，场效应晶体管，刺突蛋白，传感
摘要
本项目旨在开发一种基于石墨烯场效应原理的冠状病毒抗原/抗体检测传感器，利用抗体对石墨烯表面功能化、检测抗原抗体特异性结合反应时的电信号变化，并制作便携式传感设备样机。
背景与原理
传统的病毒检测方法，如聚合酶链式反应（PCR）、酶联免疫吸附测定（ELISA）等，有具有耗时长、成本高昂、需要对目标分子进行增殖、集聚、标记等前处理、难以重复使用等局限。
免标记石墨烯场效应晶体管（GFET）生物传感器件通过将具有优异的电子学特性和化学稳定的石墨烯材料与电学测量、化学修饰及生物识别检测等技术有机结合，能有效感知传感器表面的微小变化，实现高灵敏检测。
基于GFET的冠状病毒抗原/抗体检测传感器为以石墨烯为沟道材料、以体液环境为液体栅的场效应晶体管结构（如图1所示）。石墨烯表面通过非共价交联（π-π相互作用和/或疏水相互作用和/或静电相互作用）与SARS-CoV刺突糖蛋白S1亚基抗体（CSAb）或人血管紧张素转化酶2（ACE2）结合，以实现对新冠病毒的刺突糖蛋白S1亚基抗原（包含受体结合阈，RBD）的特异性检测。测试时S1蛋白抗原与石墨烯表面的CSAb/ACE2结合，通过场效应影响石墨烯载流子浓度从而改变GFET的源漏电导。该过程发生在液体栅中，可通过扫描液栅电压与源漏电流曲线的电荷中性点（CNP点，也称Dirac点）位置的偏移反映S1蛋白抗原的浓度。该方法可以摆脱繁琐的前处理过程，有望实现体液中快速检测。
图1 基于GFET的抗原/抗体传感原理示意图
实验结果
首先完成了CSAb/ACE2与石墨烯表面结合的初步实验，加入不同浓度S1蛋白抗原时，得到了最低0.2pM（使用CSAb）和0.1nM（使用ACE2）的检测极限浓度（如图2所示）。随后改进用PBASE分子作交联剂，芘环与石墨烯表面形成牢固的π-π相互作用，酰亚胺基与CSAb抗体相连，并用TWEEN-20乳化剂对石墨烯表面未功能化的区域进行封闭，以排除背景溶液中杂质在石墨烯表面非特异性吸附的影响。测得10-17 M（约1 fg/ml）的检测极限，并且△Vref与浓度对数呈现出线性的关系（如图3所示），而同样基于免疫检测的经典的ELISA方法目前报道的检测极限为4 ng/ml。
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图2 在0.1 mM PBS缓冲溶液中加入0.2 pM至10 nM各种浓度的S1溶液后，修饰CSAb(a)/ACE2(b)的GFET的Vref随时间的变化
图3 在0.1 mM PBS缓冲溶液中加入10-17M至10-11M浓度的S1抗原溶液后，PBASE辅助修饰CSAb的GFET的Vref随时间的变化(a)以及△Vref随抗原浓度对数的线性拟合曲线(b)
便携传感设备开发
与广东松山湖材料实验室合作，研发读取功能化石墨烯场效应传感芯片的便携传感设备，采用锁相放大器技术提高信噪比，结合微弱电流前置放大器，检测芯片上的电信号的微小变化。并通过算法自动寻找石墨烯转移曲线的Dirac点并计算加抗原前后的变化值（样机照片与软件界面如图4、5所示）。
该原理可迁移至其他已明确免疫机理的病原体检测，为日后快速开发通用型传感设备以应对突发性公共卫生实践提供技术验证。
图4 便携传感设备示意图与样机照片
图5 检测软件界面
