据麦姆斯咨询介绍，美国纽约大学坦登工学院（NYU Tandon School of Engineering）工程系的研究人员与化学和生物分子工程师进行了一次跨界合作，其最新研究表明，多路病原体传感微芯片有朝一日可以为社区和医疗保健服务机构尽早触发生物防御警报。
近些年，纳米器件领域取得了持续发展，尤其是在食品安全和质量应用方面。纽约大学坦登工学院研究纳米工程集成系统的Davood Shahrjerdi博士、Elisa Riedo博士和Giuseppe de Peppo 博士合作研究的项目，重点开发了一种场效应晶体管（FET）和一个用于检测生物标志物并将其转换为数字信号以进行快速家庭诊断测试的平台。
生物功能化策略
该研究成果已经以“Nanoscale-localized multiplexed biological activation of field effect transistors for biosensing applications”为题发表于Nanoscale期刊，文章详细介绍了他们开发的名为NanoBioFET平台的纳米器件，及其纳米级热生物功能化设计。研究团队表示，成功检测SARS-CoV-2标志物的电子传感实验，证实了他们采用FET生物传感器功能化策略的可行性。
这项研究展示了如何将微小的FET器件改造成生物传感器，实时检测特定病原体或生物标志物，而无需化学标记或冗长的医学实验室检测程序。
该项目的一项重要成果是提出了FET生物功能化的范式转变。这种转变涉及使用热扫描探针光刻技术（tSPL），其分辨率可达20纳米，并使用热化学敏感聚合物，在完全制造好的FET芯片上进行旋涂，从而使这种方法适用于任何FET传感器材料和技术。
利用热扫描探针光刻技术（tSPL）对FET进行生化功能化
目前，FET生物传感器的功能化通常采用没有空间选择性或空间选择性有限的滴注法，并且，这种方法必须针对特定的FET材料进行专门设计。
研究人员解释说，针对生物传感配置的FET可以作为一个合适的平台，与现代半导体制造技术兼容，通过将目标分析物和表面之间的相互作用转化为实时电信号，实现无标记快速传感。
石墨烯FET传感器
研究人员表示，纳米级石墨烯是该团队实验的核心。
Shahrjerdi认为，现有的功能化方法在很大程度上容易受到微观和纳米表面非理想状态的影响，例如污染和表面缺陷种类的变化等。
现有功能化方法的另一个局限在于，开发与FET材料无关的表面化学工艺。例如，与氧化物薄膜相比，在石墨烯薄膜上附着特定的抗体或适配体将涉及不同的处理步骤。
另辟蹊径，该研究团队提出了一种化学修饰工艺策略，可以按需用不同的病原体和生物标志物特异性生物受体（如抗体和适配体）对芯片上的每个FET进行修饰。Shahrjerdi及其同事表示，这种基于FET的传感器可以在单个芯片上检测多种病原体。
NanoBioFET制造
多种病原体检测
研究小组表示：“最重要的是，我们通过在芯片上指定的位置固定不同类型的生物受体，以低于20纳米的分辨率证明了这种方法的空间选择性、多路功能化能力，为大规模并行FET检测多种病原体铺平了道路。”
研究小组表示，该进展的关键在于聚甲基丙烯酸酯氨基甲酸酯肉桂酸盐（PMCC）聚合物有效作为表面锚定生物受体和埋入式FET传感器之间的电容器，进而能够对目标分析物和特定生物受体之间的相互作用进行电子检测。
通过NanoBioFET平台对gFET进行功能化示意图
此外，抗体和适配体修饰的石墨烯场效应晶体管（gFET）传感器在使用NanoBioFET平台进行功能化后，表现出了超灵敏和选择性的传感性能。Shahrjerdi及其同事指出，经tSPL功能化的gFET传感器能检测出最低测量浓度为3 aM的SARS-CoV-2刺突蛋白，及每毫升10个人类SARS-CoV-2感染性病毒颗粒，并且，对人类甲型H1N1流感活病毒具有选择性。
平台测试
该平台通过专门用于检测SARS-CoV-2病毒的传感实验进行了测试，因为该病毒的生物受体（包括不同的抗体和适配体）可以在市场上买到。
超灵敏和选择性检测SARS-CoV-2病毒
该团队表示，NanoBioFET平台的一个关键优势是它可以通用于从硅到石墨烯的各种FET材料。Shahrjerdi及其同事表示，该平台还与商业半导体制造兼容，可用于生产包含很多FET（数千到数百万个）的CMOS芯片，其中每个FET或一组FET可经过修饰以检测特定的目标病原体。
Shahrjerdi表示：“为此，我们注意到，tSPL工艺可以与热探针阵列并行使用，而扫描探头可以与皮升压电式打印并行工作，从而缩短纳米图案化时间，目前每个FET的制作时间约为10分钟。”
现代半导体制造技术可以将数十亿个100纳米以下FET集成到功能性微芯片产品中，这是一个有利机遇。研究人员表示，如果该平台取得成功，将为FET传感器技术在药物发现和临床诊断领域的新应用打开大门。
未来的研究将侧重于利用该方法实现多路复用FET传感。
应对生物威胁
该项目的合作者、加州大学伯克利分校Alberto Sangiovanni Vincentelli说：“许多产业界合作伙伴都在寻找这样的创新解决方案，以感知建筑中的生物威胁。像这样的生物防御措施，有望成为未来建筑的新基础设施层。”
研究人员希望这种生物传感微芯片最终能从一阵咳嗽或一份空气样本中识别出多种疾病，同时实现规模化生产。据Shahrjerdi称，它们将为传统的基于颜色辨别的化学诊断测试（如家庭妊娠测试）提供一种替代方案。
本研究提供的先进方法可以更快地得出检测结果，并能同时检测多种疾病，然后立即将数据传输给医疗服务提供商。
论文链接：
https://doi.org/10.1039/D4NR02535K
