使用石墨烯场效应晶体管检测SARS-CoV-2 S1抗原的新型快速方法

严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）是持续的COVID-19大流行背后的原因，感染了全球数百万人。SARS-CoV-2的早期诊断和管理对于可追溯性、及时治疗和预防病毒传播至关重要。

研究：基于石墨烯的场效应晶体管用于SARS-CoV-2 Spike S1抗原的超灵敏免疫传感。图片来源：Leonid Altman/Shutterstock.com

在最近发表在ACS Applied Biomaterials杂志上的一篇文章中，研究人员讨论了一种使用基于石墨烯的场效应晶体管（FET）以高灵敏度检测SARS-CoV-2尖峰S1抗原（S1-Ag）的新型快速方法。

内部开发的抗刺S1抗体（S1-Ab）在石墨烯上共价固定。此外，石墨烯通过碳二亚胺化学与羧基的表面官能化。

紫外可见光（UV-vis）光谱、傅里叶变换红外（FTIR）光谱、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱、光学显微镜、酶联免疫吸附测定（ELISA）帮助表征了石墨烯基FET的制造和生物共轭过程。

该器件的电响应与Ag-Ab之间的实时相互作用引起的电阻变化相关。在1-毫摩尔至1微摩尔范围内测试的基于石墨烯的S1-Ag器件表明，所开发的基于石墨烯的FET器件具有高度特异性，甚至对低水平的S1-Ag敏感

SARS-CoV-2探测技术

SARS-CoV-2病毒的结构成分构成单链（ss）RNA，核衣壳（Nuc），刺突（S），基质（M）和包膜（E）。SARS-CoV-2与蝙蝠冠状病毒，RaTG13和中东呼吸综合征（MERS-CoV）具有基因组相似性。SARS-CoV-2通过存在于哺乳动物细胞中的血管紧张素转换酶II（ACE2）进入宿主细胞。

逆转录聚合酶链反应 （RT-PCR）、基于侧流色谱条和胸部计算机断层扫描 （CT） 是 SARS-CoV-2 检测的主要诊断技术。然而，RT-PCR和CT扫描是昂贵且延时的技术，需要熟练的专业人员进行操作。此外，通过CT扫描进行病毒检测对病毒株没有特异性，并且需要高辐射剂量。因此，病毒Ag快速检测需要一种强大而灵敏的诊断技术。

基于氟掺杂氧化锡（FTO）的免疫传感器是一种SARS-CoV-2检测器，检测限（LOD）为0.73飞摩尔。酶、抗体、适配子和核酸等生物分子用于检测靶分子。然而，抗体比其他DNA和适配子是更好的生物识别元件，因为它们具有高稳定性，高亲和力，并且固定在石墨烯等各种传感元件上。

氧化铁纳米颗粒（NPs），金（Au）NPs，有机物，碳纳米管和石墨烯等几种纳米材料增强了生物传感器的灵敏度。石墨烯是一种六方二维（2D）材料，在设计灵敏的生物传感器时比纳米材料更可取。此外，基于石墨烯的FET在诊断平台的发展方面具有巨大的潜力。虽然以前曾报道过几种基于FET的传感器用于SARS-CoV-2检测，但它们具有复杂的制造要求。

石墨烯基场效应管用于SARS-CoV-2 S1-Ab的免疫传感

在本研究中，研究人员生成了一种内部S1-Ab修饰的石墨烯，并开发了一种CoV传感FET器件来检测SARS-CoV-2 S1-Ab。在本研究中，内部生成的S1-Abs使传感器制造成为一种具有成本效益的方法。石墨烯基FET的制备通过二氧化硅（SiO₂）/硅（Si）基板为基础的常规透明胶带剥落工艺，随后分别进行电子束光刻（EBL）和金属化，铬（Cr）/Au的比例分别为5/50纳米。

内部生成的S1-Ab通过碳二亚胺化学与石墨烯共价共轭。S1-Ab与石墨烯共轭S1-Ab的相互作用导致局部掺杂再分布，从而改变了石墨烯的电阻， 该电阻被监测。使用各种分析方法证实了Ab和Ag-Ab相互作用的制备和共轭。

S1-Ab在紫外-可见光谱中，石墨烯表面的生物偶联在230和280纳米处有两个吸收峰，280纳米处的峰证实了Ab峰。样品的FTIR光谱显示，在3700至3000厘米左右的宽峰相反，对应于羟基（C−OH）拉伸振动，这是活化石墨烯的特征峰。

结果表明，制备了基于石墨烯的FET器件来检测LOD为10飞摩尔的S1-Ag。该器件在开发用于检测SARS-CoV-2的小型化便携式传感器方面具有潜在的应用。

结论

总之，开发了一种基于石墨烯的FET传感器，并使用SARS-CoV-2 S1-Ab固定化石墨烯作为传感元件。Ag结合的石墨烯标记的Ab触发了局部掺杂再分布，改变了石墨烯中的电导率，由开发的传感器读取。用10飞摩尔的LOD分析Ag比例。

开发的传感器装置对SARS-CoV-2病毒具有高度特异性，并且没有显示出与MERS-CoV的交叉反应性。因此，该传感器是用于SARS-CoV-2检测的高性价比器件，并且开发的基于石墨烯的FET传感器具有小型化的潜力，可以开发用于诊断SARS-CoV-2的便携式传感平台。

参考

Shahdeo, D., Chauhan, N., Majumdar, A., Ghosh, Arindam., Gandhi, Sonu. (2022). Graphene-Based Field-Effect Transistor for Ultrasensitive Immunosensing of SARS-CoV-2 Spike S1 Antigen. ACS Applied Biomaterials. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsabm.2c00503