纸基电化学传感器可在不到五分钟的时间内检测到 COVID-19

COVID-19电化学传感平台。来源：伊利诺伊大学

随着COVID-19大流行继续在世界各地蔓延，检测仍然是跟踪和遏制病毒的关键策略。生物工程研究生Maha Alafeef共同开发了一种快速，超灵敏的测试，使用基于纸张的电化学传感器，可以在不到五分钟的时间内检测到病毒的存在。由Dipanjan Pan教授领导的团队在ACS Nano上报告了他们的发现。

“目前，我们正在经历一个百年一遇的改变生活的事件，”阿拉菲夫说。“我们正在通过开发用于SARS-CoV-2早期发现、诊断和治疗的多学科工具来从整体方法应对这一全球需求。”

市场上有两大类 COVID-19 测试。第一类使用逆转录酶实时聚合酶链反应（RT-PCR）和核酸杂交策略来鉴定病毒RNA。目前FDA批准的诊断测试使用这种技术。一些缺点包括完成测试所需的时间，对专业人员的需求以及设备和试剂的可用性。

第二类测试侧重于抗体的检测。然而，在一个人接触病毒后，可能会延迟几天到几周，以便他们产生可检测的抗体。

近年来，研究人员在使用石墨烯等2D纳米材料检测疾病方面取得了一些成功。基于石墨烯的生物传感器的主要优点是其灵敏度，低生产成本和快速检测周转。“石墨烯的发现由于其特性开辟了传感器开发的新时代。石墨烯具有独特的机械和电化学性能，使其成为开发敏感电化学传感器的理想选择，“Alafeef说。该团队创建了一个基于石墨烯的电化学生物传感器，具有电读出装置，以选择性地检测SARS-CoV-2遗传物质的存在。

该生物传感器有两个组件：用于测量电读数的平台和用于检测病毒RNA存在的探针。为了创建该平台，研究人员首先在滤纸上涂上一层石墨烯纳米片以创建导电膜。然后，他们将具有预定义设计的金电极放置在石墨烯顶部，作为电读数的接触垫。金和石墨烯都具有高灵敏度和导电性，这使得该平台对检测电信号的变化非常敏感。

目前基于 RNA 的 COVID-19 测试筛查 SARS-CoV-2 病毒上是否存在 N 基因（核衣壳磷蛋白）。在这项研究中，研究小组设计了反义寡核苷酸（ASOs）探针，以靶向N基因的两个区域。靶向两个区域可确保在一个区域发生基因突变时传感器的可靠性。此外，金纳米颗粒（AuNP）被这些单链核酸（ssDNA）覆盖，这是SARS-CoV-2 RNA的超灵敏传感探针。

研究人员之前在ACS Nano上发表的早期工作中展示了所开发的传感探针的灵敏度。病毒RNA与这些探针的杂交会导致传感器电响应的变化。AuNP帽加速电子转移，当通过传感平台广播时，导致输出信号增加并指示病毒的存在。

该团队通过使用 COVID-19 阳性和阴性样本测试了该传感器的性能。与阴性样本相比，传感器显示阳性样本的电压显着增加，并在不到五分钟的时间内确认了病毒遗传物质的存在。此外，该传感器能够区分这些样品中的病毒RNA载量。病毒载量是感染进展的重要定量指标，也是使用现有诊断方法测量的挑战。

由于其便携性和低成本，该平台具有深远的应用。当传感器与微控制器和LED屏幕或通过蓝牙或wifi与智能手机集成时，可以在医生办公室甚至家中的护理点使用。除了COVID-19之外，研究小组还预计该系统将适用于检测许多不同的疾病。

“生物工程的无限潜力一直以其创新的转化应用激发我的最大兴趣，”Alafeef说。“我很高兴看到我的研究项目对解决现实世界的问题产生影响。最后，我要感谢我的博士导师Dipanjan Pan教授的无尽支持，研究科学家Parikshit Moitra博士和研究助理Ketan Dighe为这项研究的成功提供了帮助和贡献。