- 微小的芯片承諾一次呼吸即可快速診斷疾病
- 來源：紐約大學坦登工程學院 發表于 2024/12/24
通過使用熱掃描探針光刻技術，將不同的生物受體定點固定在單個場效應晶體管上。每個生物受體都可以進行調整以檢測不同的疾病。圖片來源：紐約大學坦登工程學院
當今世界正面臨多種健康威脅，從快速傳播的病毒到慢性疾病和耐藥細菌，對快速、可靠且易于使用的家庭診斷檢測的需求從未如此強烈。想象一下，在未來，任何人都可以使用像智能手表這樣小巧便攜的設備在任何地方進行這些測試。為此，您需要能夠檢測空氣中微小濃度的病毒或細菌的微芯片。
現在，新的研究表明，可以開發和構建微芯片，這些芯片不僅可以從單個咳嗽或空氣樣本中識別多種疾病，還可以大規模生產。來自紐約大學 Tandon 教師的團隊包括電氣與計算機工程教授 Davood Shahrjerdi;Herman F. Mark 化學和生物分子工程教授 Elisa Riedo;以及 Giuseppe de Peppo，化學和生物分子工程行業副教授，之前曾在 Mirimus 工作。
“這項研究為生物傳感領域開辟了新的視野。微芯片是智能手機、計算機和其他智能設備的支柱，它改變了人們的通信、娛樂和工作方式。同樣，今天，我們的技術將使微芯片能夠徹底改變醫療保健，從醫療診斷到環境健康，“Riedo 說，
Shahrjerdi 說：“本文中展示的創新技術使用場效應晶體管 （FET），這是一種微型電子傳感器，可直接檢測生物標志物并將其轉換為數字信號，為傳統的基于顏色的化學診斷測試（如家庭妊娠測試）提供了替代方案。
“這種先進的方法可以更快地獲得結果，同時檢測多種疾病，并立即將數據傳輸給醫療保健提供者，”Sharjerdi 說，他也是紐約大學納米制造潔凈室的主任，這是一個最先進的設施，本研究中使用的一些芯片就是在這里制造的。Riedo 和 Shahrjerdi 也是紐約大學 NanoBioX 計劃的聯合主任。
場效應晶體管是現代電子產品的主要產品，正在成為尋求診斷儀器的強大工具。這些微型設備可以用作生物傳感器，實時檢測特定的病原體或生物標志物，而無需化學標簽或冗長的實驗室程序。通過將生物相互作用轉換為可測量的電信號，基于 FET 的生物傳感器提供了一個快速、多功能的診斷平臺。
最近的進展通過結合納米線、氧化銦和石墨烯等納米級材料，將 FET 生物傳感器的檢測能力推向了非常小的水平——低至飛摩爾濃度或一千萬億摩爾。然而，盡管具有潛力，基于 FET 的傳感器仍然面臨重大挑戰：它們難以在同一芯片上同時檢測多種病原體或生物標志物。
目前定制這些傳感器的方法，例如將抗體等生物受體滴鑄到 FET 表面，缺乏更復雜的診斷任務所需的精度和可擴展性。
為了解決這個問題，這些研究人員正在探索修改 FET 表面的新方法，允許定制芯片上的每個晶體管以檢測不同的生物標志物。這將使多種病原體的并行檢測成為可能。
進入熱掃描探針光刻 （tSPL），這是一項突破性技術，可能是克服這些障礙的關鍵。該技術允許對聚合物涂層芯片進行精確的化學圖案化，從而能夠以高達 20 納米的分辨率使用不同的生物受體（例如抗體或適配體）對單個 FET 進行功能化。這與當今先進半導體芯片中晶體管的微小尺寸相當。
通過允許對每個晶體管進行高度選擇性的修改，這種方法為基于 FET 的傳感器的開發打開了大門，這些傳感器可以在單個芯片上檢測各種病原體，具有無與倫比的靈敏度。
Riedo 在 tSPL 技術的開發和推廣中發揮了重要作用，他認為它在這里的使用進一步證明了這種納米制造技術可以用于實際應用的開創性方式。“tSPL 現在是一種市售的光刻技術，一直是用不同的生物受體對每個 FET 進行功能化以實現多路復用的關鍵，”她說。
在測試中，使用 tSPL 功能化的 FET 傳感器顯示出卓越的性能，可檢測低至 3 阿摩爾 （aM） 濃度的 SARS-CoV-2 刺突蛋白和低至 10 個活病毒顆粒/毫升，同時有效區分不同類型的病毒，包括甲型流感病毒。能夠以高特異性可靠地檢測如此微量的病原體，是創造便攜式診斷設備的關鍵一步，這些設備有朝一日可以在從醫院到家庭的各種環境中使用。
這項研究現已發表在《納米尺度》（Nanoscale）雜志上，得到了布魯克林生物技術公司Mirimus和澳大利亞跨國建筑和房地產公司LendLease的支持。他們正在與紐約大學 Tandon 團隊合作，分別開發疾病檢測可穿戴設備和家用設備。
“這項研究展示了工業界和學術界合作的力量，以及它如何改變現代醫學的面貌，”Mirimus 總裁兼首席執行官 Prem Premsrirut 說。“NYU Tandon 的研究人員正在開展的工作將在未來的疾病檢測中發揮重要作用。”
“Lendlease 等公司和其他參與城市更新的開發商正在尋找這樣的創新解決方案，以感知建筑物中的生物威脅，”該項目的合作者、加州大學伯克利分校的 Alberto Sangiovanni Vincentelli 說。“像這樣的生物防御措施將成為未來建筑的新基礎設施”
隨著半導體制造的不斷發展，將數十億個納米級 FET 集成到微芯片上，將這些芯片用于生物傳感應用的潛力變得越來越可行。一種通用的、可擴展的方法，用于以納米級精度對 FET 表面進行功能化，將能夠創建復雜的診斷工具，這些工具能夠實時檢測多種疾病，其速度和準確性可以改變現代醫學。
更多信息：Alexander James Wright 等人，用于生物傳感應用的場效應晶體管的納米級定位多路復用生物激活，納米級（2024 年）。
DOI： 10.1039/D4NR02535K
期刊信息： Nanoscale
由紐約大學坦登工程學院提供
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