方法文章

用于 SARS-CoV-2 检测的高性能石墨烯改性传感芯片

DOI：

10.3791/64730

⸱

2023年5月5日

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1RFIC Bio Centre, Kwangwoon University, 2Department of Electronics Engineering, Kwangwoon University, 3NDAC Centre, Kwangwoon University, 4Stanford Cardiovascular Institute, Stanford University School of Medicine, 5Department of Medicine, Stanford University School of Medicine, 6Department of Biomedical Engineering, Hebei University of Technology, 7NanoBioTech Laboratory, Department of Environmental Engineering, Florida Polytechnic University, 8School of Engineering, University of Petroleum and Energy Studies (UPES)

本文内容

摘要

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本协议描述了基于有用的纳米系统的低成本生物传感原型的制造，用于准确检测病毒蛋白（在 Fg 水平）。这种微型传感器平台允许与医疗物联网 （IoMT） 集成的护理点应用程序，以满足远程医疗目标。

摘要

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该传感原型模型涉及开发一种可重复使用的双重氧化石墨烯 （GrO） 双数字间电容 （DIDC） 检测芯片，用于特异性和快速地检测严重急性呼吸系统综合症冠状病毒 2 病毒 （SARS-CoV-2）。制造的 DIDC 包括一个含 Ti/Pt 的玻璃基板，上面有氧化石墨烯 （GrO） 釉料，该玻璃基板进一步用 EDC-NHS 进行化学修饰，以固定基于病毒刺突 （S1） 蛋白的对 SARS-CoV-2 敌对的抗体 （Abs）。深入的研究结果表明，GrO 为 Ab 固定提供了理想的工程表面，并增强了电容以实现更高的灵敏度和较低的感应限值。这些可调谐元件有助于实现宽感应范围（1.0 mg/mL 至 1.0 fg/mL）、1 fg/mL 的最小感应限、18.56 nF/g 的高响应性和良好的线性度，以及 3 秒的快速反应时间。此外，在开发经济上可行的即时 （POC） 检测框架方面，本研究中 GrO-DIDC 生物芯片的可重用性很好。值得注意的是，该生物芯片对血源性抗原具有特异性，在 5 °C 下可稳定保存长达 10 天。 由于其紧凑性，这种缩小的生物传感器有可能用于 COVID-19 感染的 POC 诊断。该系统还可以检测其他严重的病毒性疾病，尽管利用其他病毒示例的审批步骤正在开发中。

引言

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2019 年底，中国武汉市出现了由新型 β 冠状病毒1（即 2019-nCoV）引起的病毒大流行，后来被命名为严重急性呼吸系统综合症冠状病毒 2 （SARS-CoV-2）2（以下简称病毒），涉及肺炎聚集性和严重急性呼吸窘迫3.由于其全球人际传播速度快、感染率高、死亡率高以及危及生命的严重不良反应4，在大流行期间，病毒学研究5 迅速发展，以确定病毒的基因组组织和结构 5,6。COVID-19 7,8 的症状包括高烧、干咳和全身疼痛9。重要的是，病毒的不同血清型导致不同的疾病严重程度10。此外，无症状携带者可能会传播病毒。通常，在显微镜下，COVID-19 病毒颗粒显示出由刺突蛋白形成的棒状突起11。因此，为了控制这种新病原体的传播，必须及时有效地发现病例。因....

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方案

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1. DIDC 传感芯片的清洁

  1. 实验开始时，用食人鱼溶液（H2SO4:H2O2以 3:1 的比例）清洁 DIDC 芯片表面26，并将其放在 80 °C 的热板上 15 分钟。接下来，使用移液管用蒸馏水逐滴冲洗传感器表面，以完全去除清洁试剂。为确保完全去除试剂，请用 4 到 5 滴乙醇冲洗表面。
    注意:DIDC 芯片是根据先前发布的报告26 制造的。
  2. 然后，在室温下干燥传感器表面，以完全去除试剂，以获得亲水性传感器表面。该芯片可用于在芯片上进一步制造氧化石墨烯层（步骤 2）。
  3. 用聚酰亚胺胶带覆盖干净的传感器芯片电极垫。

2. 在 DIDC 传感芯片上制造薄层氧化石墨烯

  1. 将芯片水平放置在旋涂机的中心，并在芯片表面添加 4 μL 市售单层氧化石墨烯 （GO） 的水溶液（参见 材料表）。然后，关闭旋涂室，并以 1,300 rpm 的速度运行 2 分钟。
  2. 对于制造的GO芯片的退火，将芯片在热板上水平放置40分钟，....

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结果

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这里提出了一种使用氧化石墨烯釉面双叉指电容 （DIDC） 传感芯片传感 SARS-CoV-2 病毒的 S1 蛋白的方案。 图 1 显示了极其敏感且可回收的氧化石墨烯改性双叉指电容 （DIDC） 传感芯片的示意图（采用电路布局制造）。详细的逐步制造过程如图 2 所示。 图 3 显示了通过原子力显微镜 （AFM） 进行的 表面功能表征。 图 4 显示了制造芯片的典型俯视图、FTIR 光谱表征和表面接触角。 图 5 表示 S1 抗原的生物分子干扰金属电极和投影原型之间的电场、DIDC 芯片的灵敏度、DIDC 芯片的选择性、线性度 （18.56 nF/g） 的浓度与电容的关系图，以及多种浓度的响应时间。 图 6 显示了对时间（以小时为单位）.......

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讨论

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为了打造基于芯片的高效 DIDC 生物传感器，DIDC 的电荷分布、电导率和介电常数非常重要。值得注意的是，这些检测边界的改进与 DIDC 18,26,27 的电容电抗有关。在这项研究中，制造了一种对病毒 Abs 敌对并通过 EDC-NHS 耦合在基于氧化石墨烯的 SiO2衬底上功能化的电容免疫传感器27。此外，通过在 GrO 底物上采用共价结合来添加 EDC-NHS 交联，以对病毒 Abs 进行功能化。

通过精心策划的程序，确保传感器表面准备就绪、抗 SARS-CoV-2 Abs 固定以及与病毒 S1 蛋白结合，在固定的简单性、显式性和一般电容的竞争要素中找到了平衡。利用电气和光学表面检查来检查 GrO 调节的 DIDC 生物芯片的进展。石墨烯基材料的大表面积.......

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披露

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作者没有什么可披露的。

致谢

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这项工作在一定程度上得到了韩国国家研究基金会 （NRF） 的基础科学研究计划的支持，该计划由教育部赞助，资助 2018R1D1A1A09083353 和资助 2018R1A6A1A03025242，部分由 GCS 集团协会有限公司和韩国环境部 （MOE） 研究生院在 2022 年为综合污染防治项目和光云大学的研究资助投入了大量精力。

EM 要感谢美国国家生物医学成像和生物工程研究所 （5T32EB009035） 的支持。

....

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
淀粉样蛋白和 β;1-42 蛋白默克 （Sigma-Aldrich）107761-42-2
抗 SARS-CoV-2 刺突 （S1） 单克隆 IgG 抗体 义翘神州40150-R007
EDC [N-（3-二甲氨基丙基）-N′-乙基碳二亚胺盐酸盐]赛默飞世尔科技A35391
乙醇（C2H5OH）Sigma-Aldrich
过氧化氢（H2O2）
酰
NHS（NHydroxysuccinimide，98+%;C4H5NO3）Thermo Fisher ScientificA39269
PBS
前列腺特异性抗原 Sigma-AldrichP3338-25UG
SARS-CoV-2 刺突 S1-His 重组蛋白义翘神州40591-V08H
单层氧化石墨烯石墨烯超市
旋涂机高精度旋涂机（旋涂系统）ACE-200 
硫酸 （H2SO4）
聚亚胺带

参考文献

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  1. Boldog, P. Risk assessment of novel coronavirus COVID-19 outbreaks outside China. Journal of Clinical Medicine. 9 (2), 571-583 (2020).
  2. Seo, G., et al. Rapid detection of COVID-19 cau....

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EDC NHS
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