随着新型冠状病毒（SARS-CoV-2）的传播，对快速、准确检测和筛查新冠病毒肺炎（COVID-19）患者的工具的需求日益增加。目前，石墨烯（Graphene）场效应晶体管（FET）生物传感器在即时和精确检测方面引起了广泛的关注。
据麦姆斯咨询报道，鉴于此，阿联酋大学（United Arab Emirates University）的研究人员设计了一种用于检测SARS-CoV-2的还原氧化石墨烯（rGO）场效应晶体管生物传感器。该研究的主要目的是有选择性地快速检测SARS-CoV-2刺突蛋白抗原。相关研究成果近期以“The design of a point of care FET biosensor to detect and screen COVID-19”为题，发表于Scientific Reports期刊。
该场效应晶体管生物传感器由还原氧化石墨烯通道、一对金电极和通道下方的栅极组成。还原氧化石墨烯通道使用SARS-CoV-2刺突蛋白抗体进行功能化以实现对SARS-CoV-2刺突蛋白抗原的选择性检测，并使用铜和银等金属纳米颗粒（MNPs）来增强该传感器的生物传感性能。
图1 由源极、漏极、通道和通道下方栅极组成的还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器（rGO-FET）示意图
相关研究结果显示，该还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器成功检测了SARS-CoV-2刺突蛋白抗原，并在检测过程中表现出独特的电学行为。此外，研究人员采用半经验建模方法结合非平衡格林函数研究了目标分子加入前后还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器的电子输运特性。
图2 在偏置电压（Vbias）分别为0.0 V（a）、0.1 V（b）、0.2 V（c）和0.3 V（d）时，裸（无抗体和金属纳米颗粒修饰）传感器、与病毒结合的传感器以及与病毒结合并经过金属纳米颗粒修饰的传感器的电子输运透射谱
图3 裸传感器（无抗体和金属纳米颗粒修饰）、与病毒结合的传感器以及与病毒结合并经过金属纳米颗粒修饰的传感器在栅极电压（Vg）= 1V时的Ids-Vds曲线
图4 由于目标分子（SARS-CoV-2刺突抗原）的加入，引起的传感器电流变化
为了验证该传感器的特异性，研究人员选用狂犬病病毒（Rabies）和中东呼吸综合征病毒（MERS）进行了实验。理论上，通过提出的还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器检测SARS-CoV-2病毒应该是快速和实时的，因为一旦病毒被加入到传感器通道上，传感器电流就会发生变化。实验结果表明，随着SARS-CoV-2抗原的加入，传感器的电流等电子特性发生了明显的变化，因此证实了该传感器的有效性。然而，狂犬病病毒和中东呼吸综合征病毒的加入并没有改变传感器的读数，从而进一步证明了该传感器对SARS-CoV-2抗原检测的特异性。
图5 SARS-CoV-2人中和抗体修饰的传感器在加入狂犬病病毒和中东呼吸综合征病毒前后的电子输运透射谱
总体而言，该研究的新颖之处在于研究了修饰金属纳米颗粒（即银和铜）对所设计的还原氧化石墨烯场效应晶体管生物传感器传感性能的增强效果。结果证实，银等金属纳米颗粒的加入增强了检测信号（电流变化）。其背后的原理在于，首先，金属纳米颗粒的加入可以通过增加通道的表面积来提高场效应晶体管的灵敏度，这可以导致更高的电子密度，并改善电荷转移；其次，除了增加表面积外，金属纳米颗粒还可以通过局部表面等离子体共振（LSPRs）现象增强场效应晶体管的灵敏度。
然而，这种生物传感器的制造过程还将面临一些挑战，因为它可能是一个耗时和复杂的过程。此外，选择合适的分子前体来控制石墨烯纳米带结构并不是一件容易的事情。同时，还原氧化石墨烯的统一化量产一直是一个挑战，因为氧官能团会随机分布在石墨烯表面，所以每个还原氧化石墨烯样品都具有独特的电子结构。最后，真实病毒样品的使用可能会影响生物传感器的灵敏度，因为它可能会引起许多非特异性相互作用。总之，这项工作提出了一种高效、快速、经济有效和精确的病毒检测替代方案，因而将有希望助力于SARS-CoV-2全球大流行的防控。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-023-31679-5
延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《石墨烯市场和二维材料评估-2022版》
《传感器技术和市场趋势-2020版》
《新冠肺炎（COVID-19）诊断技术、厂商及趋势-2020版》
