新突破：可检测疾病的微芯片问世！

摘要： 目前正在利用场效应晶体管和热扫描探针光刻技术研发微芯片，这种微芯片能够实时检测多种疾病。

要点： 变革疾病检测方式： 这些微芯片利用场效应晶体管（FET）实时检测多种病原体或生物标志物，将生物相互作用转化为可测量的数字信号，无需冗长的实验室操作流程。 精度和可扩展性方面的突破： 通过结合热扫描探针光刻技术（tSPL），研究人员能够精确地使芯片上的单个晶体管实现功能化，从而能够在单一平台上同时检测多种疾病。 在医疗保健和基础设施方面的实际应用： 这些微芯片展现出在便携式诊断设备、可穿戴技术甚至建筑物中用于监测生物威胁的潜力，标志着医疗保健和城市生物防御领域迈出了变革性的一步。研究人员已经研发出不仅能从单次咳嗽或空气样本中识别多种疾病，而且还能大规模生产的微芯片。这项新研究来自纽约大学坦登工程学院的教职工，包括电气与计算机工程教授达乌德·沙尔杰迪（Davood Shahrjerdi）；化学与生物分子工程学的赫尔曼·F·马克（Herman F. Mark）教授伊莉莎·里埃多（Elisa Riedo）；以及化学与生物分子工程学的行业副教授朱塞佩·德·佩波（Giuseppe de Peppo），他此前就职于米里穆斯（Mirimus）公司。里埃多表示：“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，已经改变了人们的通信、娱乐和工作方式。同样，如今我们的技术将使微芯片变革医疗保健领域，涵盖从医学诊断到环境卫生等各个方面。” 利用场效应晶体管进行诊断 沙尔杰迪说：“本文所展示的创新技术利用场效应晶体管—— 这种微型电子传感器能够直接检测生物标志物并将其转化为数字信号 ——为传统的基于颜色变化的化学诊断测试（如家用验孕棒）提供了一种替代方案。这种先进的方法能够更快得出结果，同时检测多种疾病，并能立即将数据传输给医疗服务提供者。”沙尔杰迪同时还是纽约大学纳米制造洁净室的主任，本研究中使用的部分芯片就是在这个先进的设施中制造的。里埃多和沙尔杰迪还是纽约大学纳米生物X计划的联合主任。场效应晶体管作为现代电子技术的重要组成部分，正逐渐成为研制诊断仪器的有力工具。这些微小的器件能够被改造用作生物传感器，实时检测特定的病原体或生物标志物，无需化学标记或冗长的实验室流程。通过将生物相互作用转化为可测量的电信号，基于场效应晶体管的生物传感器为诊断提供了一个快速且通用的平台。近期的进展通过结合纳米线、氧化铟和石墨烯等纳米级材料，已将基于场效应晶体管的生物传感器的检测能力提升到了极低的水平——可低至飞摩尔浓度，即一摩尔的千万亿分之一。然而，尽管具备潜力，基于场效应晶体管的传感器仍然面临着一个重大挑战：它们难以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，比如将诸如抗体之类的生物受体滴铸到场效应晶体管表面，缺乏应对更复杂诊断任务所需的精度和可扩展性。为了解决这一问题，这些研究人员正在探索新的方法来修饰场效应晶体管表面，使芯片上的每个晶体管都能被定制用于检测不同的生物标志物。这将能够实现对多种病原体的并行检测。 引入热扫描探针光刻技术 热扫描探针光刻技术（tSPL）应运而生，这项突破性的技术或许是克服这些障碍的关键所在。该技术能够对涂有聚合物的芯片进行精确的化学图案化，从而能够以精细至20纳米的分辨率用不同的生物受体（如抗体或适体）对单个场效应晶体管进行功能化。这与当今先进半导体芯片中晶体管的微小尺寸相当。通过允许对每个晶体管进行高度选择性的修饰，这种方法为开发基于场效应晶体管的、能够在单一芯片上检测多种病原体且具有无与伦比的灵敏度的传感器开辟了道路。在热扫描探针光刻技术的开发和推广过程中发挥了重要作用的里埃多认为，在此处运用该技术进一步证明了这种纳米制造技术在实际应用中具有开创性的用途。她说：“热扫描探针光刻技术如今已是一种可商用的光刻技术，它对于用不同的生物受体对每个场效应晶体管进行功能化以实现多重检测起到了关键作用。” 在测试中，使用热扫描探针光刻技术进行功能化的场效应晶体管传感器表现出了卓越的性能，能够检测到低至3阿摩尔（aM）浓度的新冠病毒刺突蛋白，以及每毫升仅10个活病毒颗粒，同时还能有效区分不同类型的病毒，包括甲型流感病毒。能够以高特异性可靠地检测到如此微量的病原体，这是朝着制造有朝一日可在从医院到家庭等各种环境中使用的便携式诊断设备迈出的关键一步。 延伸阅读