微小的芯片有望从一次呼吸中快速诊断疾病

在一个应对多种健康威胁的世界里，从快速传播的病毒到慢性疾病和耐药细菌，对快速、可靠和易于使用的家庭诊断测试的需求从未如此之大。想象一下，在未来，任何人都可以在任何地方使用像智能手表这样小巧便携的设备进行这些测试。要做到这一点，你需要能够检测空气中微小浓度病毒或细菌的微芯片

现在，新的研究表明，有可能开发和制造微芯片，不仅可以从单个咳嗽或空气样本中识别多种疾病，还可以大规模生产。纽约大学坦登学院的团队包括电气和计算机工程教授达伍德·沙赫尔迪；Herman F.Mark化学和生物分子工程教授Elisa Riedo；Giuseppe de Peppo，化学和生物分子工程行业副教授，曾在Mirimus工作

“这项研究为生物传感领域开辟了新的视野。微芯片是智能手机、计算机和其他智能设备的支柱，改变了人们交流、娱乐和工作的方式。同样，今天，我们的技术将使微芯片彻底改变医疗保健，从医学诊断到环境健康，”Riedo说，“本文中展示的创新技术使用场效应晶体管（FET）——直接检测生物标志物并将其转换为数字信号的微型电子传感器——为家庭妊娠试验等传统的基于颜色的化学诊断测试提供了一种替代方案，”Shahrjerdi说

“这种先进的方法能够更快地获得结果，同时检测多种疾病，并立即将数据传输给医疗保健提供者”，Sharjerdi说，他也是纽约大学纳米制造洁净室的主任，这是一个最先进的设施，本研究中使用的一些芯片就是在这里制造的。Riedo和Shahrjerdi也是纽约大学NanoBioX倡议的联合主任

场效应晶体管是现代电子产品的主要组成部分，正在成为寻求诊断仪器的强大工具。这些微型设备可以用作生物传感器，实时检测特定的病原体或生物标志物，而不需要化学标签或冗长的实验室程序。通过将生物相互作用转化为可测量的电信号，基于FET的生物传感器为诊断提供了一个快速且通用的平台

最近的进展通过引入纳米线、氧化铟和石墨烯等纳米级材料，将FET生物传感器的检测能力提升到了令人难以置信的小水平，低至飞秒浓度，或千万亿分之一摩尔。然而，尽管有潜力，基于FET的传感器仍然面临着一个重大挑战：它们很难在同一芯片上同时检测多种病原体或生物标志物

目前定制这些传感器的方法，如将抗体等生物受体滴注到FET表面，缺乏更复杂的诊断任务所需的精度和可扩展性

为了解决这个问题，这些研究人员正在探索修改FET表面的新方法，使芯片上的每个晶体管都能被定制以检测不同的生物标志物。这将能够并行检测多种病原体

进入热扫描探针光刻（tSPL），这是一项突破性技术，可能是克服这些障碍的关键。该技术允许对聚合物涂层芯片进行精确的化学图案化，使单个FET能够以20纳米的分辨率与不同的生物受体（如抗体或适配体）进行功能化。这与当今先进半导体芯片中晶体管的微小尺寸相当

与超过100000名依赖Phys.org获取日常见解的订阅者一起探索科学、技术和太空的最新进展。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展

通过允许对每个晶体管进行高度选择性的修改，这种方法为开发基于FET的传感器打开了大门，这些传感器可以在单个芯片上检测各种病原体，具有无与伦比的灵敏度

Riedo在tSPL技术的发展和扩散中发挥了重要作用，他认为tSPL技术在这里的使用进一步证明了这种纳米制造技术在实际应用中的突破性应用。她说：“tSPL现在是一种商业化的光刻技术，它是用不同的生物受体使每个FET功能化以实现多路复用的关键。”

在测试中，使用tSPL功能化的FET传感器表现出了卓越的性能，检测到低至3阿托摩尔（aM）浓度的严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型刺突蛋白和每毫升低至10个活病毒颗粒，同时有效地区分不同类型的病毒，包括甲型流感。以高特异性可靠检测如此微量病原体的能力是创建便携式诊断设备的关键一步，这些设备有朝一日可以在从医院到家庭的各种环境中使用

这项研究现已发表在《纳米尺度》杂志上，得到了总部位于布鲁克林的生物技术公司Mirimus和总部位于澳大利亚的跨国建筑和房地产公司LendLease的支持。他们正在与纽约大学Tandon团队合作，分别开发疾病检测可穿戴设备和家用设备

Mirimus总裁兼首席执行官Prem Premsrirut表示：“这项研究展示了行业和学术界合作的力量，以及它如何改变现代医学的面貌。”。“纽约大学坦登分校的研究人员正在进行的工作将在未来的疾病检测中发挥重要作用。”

“联实集团和其他参与城市更新的开发商等公司正在寻找这样的创新解决方案，以感知建筑物中的生物威胁。”该项目的合作者、加州大学伯克利分校的Alberto Sangiovanni Vincentelli说。“像这样的生物防御措施将成为未来建筑的新基础设施层”

随着半导体制造业的不断进步，将数十亿纳米级FET集成到微芯片上，将这些芯片用于生物传感应用的潜力变得越来越可行。一种以纳米级精度对FET表面进行功能化的通用、可扩展的方法将能够创建复杂的诊断工具，能够实时检测多种疾病，其速度和准确性可以改变现代医学 More information: Alexander James Wright et al, Nanoscale-localized multiplexed biological activation of field effect transistors for biosensing applications, Nanoscale (2024). DOI: 10.1039/D4NR02535K

Journal information: Nanoscale