逆境中的希望：病毒檢測研究進展

2020年初，新型冠狀病毒肆虐全國：由于病毒能夠通過溶膠傳染，確診人數一直在增長。因此對于傳染性病毒的檢測研究有十分重要的意義。本文總結了近年來這一領域的突破性研究工作，以供各位同行參考。

1. ADVANCED MATERIALS: On-Chip Spiral Waveguides for Ultrasensitive and Rapid Detection of Nanoscale Objects

納米材料的超靈敏和快速檢測特性在基礎研究和實際應用中都至關重要。在微腔，等離子共振器和納米纖維中使用漸逝場的光學傳感器允許無標記檢測單個分子，但是由于響應時間長和重復性差阻礙了實際應用。這項工作展示了一種On-Chip密集波導傳感器，該傳感器可在強光漸逝場中檢測單個未標記的納米顆粒。與直線波導相比，螺旋納米波導設計可使檢測面積提高兩個數量級，從而顯著提高了粒子捕獲能力并縮短了目標分析時間單個顆粒的檢測極限降低到100 nm。絕緣體上硅平臺上的波導傳感器可以通過常規的半導體工藝可重復制造，并且與表面功能化化學物質和微流體兼容，從而可以廣泛用于環境監測和人體健康的傳感。

2. NANOTODAY: Silicon nanowire field-effect transistor-based biosensors for biomedical diagnosis and cellular recording investigation.

硅納米線場效應晶體管（SiNW-FET）作為生物傳感器設計中的一種有前途的工具，因其超高的靈敏度，選擇性以及無標記和實時檢測功能而備受關注。這篇文章回顧了最近發表的SiNW-FET傳感器的器件制造和生物醫學應用的文獻。在生物學研究領域，SiNW-FET用于蛋白質，DNA序列，小分子，癌癥生物標志物和病毒的檢測。文章討論了SiNW-FET器件與代表性示例集成在一起并推進病毒感染診斷或早期癌癥檢測的方法。另外，還回顧了SiNW-FET在記錄細胞或組織的生理反應中的應用。最后，本文將重點總結了SiNW的三維（3D）納米FET探針的新穎設計，以記錄細胞內信號。

3. IEEE SENSORS JOURNAL: Sensing Avian Influenza Viruses Using Terahertz Metamaterial Reflector.

這項工作使用太赫茲（THz）生物傳感超材料（MM）高度精確地檢測了禽流感（AI）三種亞型，即H1N1，H5N2和H9N2病毒，該材料由位于H型石墨烯共振器上的H形石墨烯共振器組成半導體膜。在太赫茲頻率范圍內檢測到三種具有不同復數折射率（CRI）的AI病毒亞型。在納米傳感器/檢測器設備附近放置不同的傳感材料時，反射的共振頻率會發生變化，進而導致測量納米傳感器/檢測器檢測傳感器的靈敏度。文章研究了三種具有不同蛋白質濃度和不同RI值的AI病毒亞型的檢測，觀察到THz納米生物傳感器/檢測器的共振頻率隨被檢測病毒的RI變化而變化。H9N2病毒的共振位移較高，該病毒具有大量的RI實部，頻率偏移隨著RI實部的減少而減小。

4. ACS NANO: Fully Packaged Portable Thin Film Biosensor for the Direct Detection of Highly Pathogenic Viruses from On-Site Samples.

高致病性禽流感病毒（HPAIV），病毒會在宿主體內迅速積聚，早期檢測對于阻止致命疾病進一步傳播到其他地區至關重要。當前的現場方法檢測限很低（105-106 EID₅₀?/ mL），該病毒的早期濃度很低不易檢測。薄膜晶體管（TFT）是一種有研究潛力的生物傳感器系統，具有很高的靈敏度，無標記的檢測和快速的響應時間。但是TFT容易受光，噪聲，振動和有限使用的影響，極大地限制生物傳感器的。這篇文章將TFT電化學生物傳感器開發為集成的芯片。將該生物傳感器放入生物安全等級3（BSL-3）的實驗室中，以分析將設備中的樣品測量值與通過RT-PCR獲得的病毒濃度數據（病毒范圍：10⁰–10⁴?EID₅₀?/ mL）進行了比較。

5. BIOSENSORS & BIOELECTRONICS: Field-effect biosensor using?virus?particles as scaffolds for enzyme immobilization

這篇文章提出了一種利用煙草花葉病毒（TMV）顆粒作為支架進行酶固定的場效應生物傳感器。納米管TMV支架可將定位精確的酶緊密固定，并保持活性。通過將青霉素酶與病毒顆粒偶聯作為模型系統，開發了一種青霉素傳感器。帶有病毒顆粒的生物傳感器表面的形態為通過掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡方法表征。這些傳感器在從0.1μmM到10μmM的幾乎線性范圍內，具有高達?92μmV / dec的青霉素敏感性，并具有約50μμM的低檢測限。青霉素生物傳感器在大約一年的時間內進行了長期穩定性測試，沒有任何明顯的靈敏度損失。該生物傳感器也已成功應用于牛乳樣品中的青霉素檢測。

6 ACS NANO: Silicon Nanowire Field Effect Transistor Sensors withMinimal?Sensor-to-Sensor?Variations and Enhanced Sensing Characteristics

這項工作將納米加工，設備仿真，材料和電特性表征的組合方法應用于識別和改進制備的傳感器之間的差距。在8英寸絕緣體上硅晶圓上制造硅納米線FET傳感器的增強型互補金屬氧化物半導體兼容工藝。納米線（30 nm）FET的能斯特極限亞閾值擺幅（SS）為60±1 mV /decade，變化率為1.7％，而SS的文獻資料值為≥80mV /decade。與文獻數據相比，制得的器件閾值電壓變化顯著降低（約3倍）。改進的FET顯著降低了漏極電流遲滯（?0.6 mV），并提高了導通電流與截止電流之比（?10⁶）。這些改進導致納米線FET傳感器報告的傳感器間差異比之前研究小（約3％），靈敏度、信噪比更大，缺陷密度為2.1×10¹⁸ eV^-1?cm^-3。這項工作使納米線傳感器技術更接近于疾病的早期診斷和監測的實際應用。

7. BIOSENSORS & BIOELECTRONICS: Multiplex electrical detection of avian influenza and human immunodeficiency?virus?with an underlap-embedded silicon nanowire field-effect transistor.

這項工作通過埋在下面的硅（Si）納米線場效應晶體管，證明了對禽流感（AI）和人類免疫缺陷（HIV）病毒的抗體和抗原結合的無標記電檢測。通過等離子體蝕刻工藝組合的各向同性和各向異性圖案化技術來制造Si納米線。該傳感器是通過自對準工藝制造的，可以精確控制下重疊區域。使用制得的器件對于AI和HIV的多重檢測，在每種情況下均顯示出獨特的選擇性。因此，所提出的裝置對于生物分子的無標記，電和多重檢測具有固有的益處。其工藝與目前用于制造半導體器件的商業化技術兼容。這一新型結構和材料制造工藝制得的芯片構建的即時檢驗（POCT）系統該系統具有制備簡單，低成本的優勢。

8. NANO LETTERS:Signal-to-Noise Ratio Enhancement of Silicon Nanowires Biosensor with Rolling Circle Amplification

本文首次展示了一種基于硅納米線場效應晶體管（SiNW-FET）的滾環擴增（RCA）技術，用于快速，無標記和特異的DNA檢測。將探針DNA固定在SiNW的表面，然后與完全匹配的目標DNA和RCA引物進行夾心雜交，RCA引物充當與RCA模板雜交的引物。RCA反應產生了長的單鏈DNA（ssDNA）產物，因此顯著增強了SiNW的電子響應。納米傳感器響應特定的靶DNA序列顯示出高度敏感的濃度依賴性電導變化。由于大量重復序列的RCA產物結合在一起，因此1 fM DNA檢測的SNR大于20，檢測限為50 aM。SiNW FET傳感器與RCA的組合將提高診斷能力，并增強實驗室檢測意外病毒的能力，使其成為早期診斷基因相關疾病的潛在工具。

9. LAB ON A CHIP:A CMOS wireless biomolecular sensing system-on-chip based on polysilicon nanowire technology.

隨著現代社會的發展，對疾病的預防和適當治療的現場和個性化診斷已變得很重要。為了滿足這一需求，在這項工作中，基于0.35 μm的2-Poly-4-Metal（2P4M）互補金屬設計和制造了基于多晶硅納米線（poly-Si NW）的生物傳感器片上系統（bio-SSoC）。poly-Si NW生物傳感器與基于斬波器差分差分放大器（DDA）的模擬前端（AFE）集成在一起，可以逐次逼近模數轉換器（SAR ADC）和微控制器比傳統的Si NW離散測量系統具有更好的檢測測能力，CMOS集成技術用于新興的生物診斷技術。該集成技術可對乙型肝炎病毒DNA（10 fM）和心肌肌鈣蛋白I蛋白（3.2 pM）進行無標記且低濃度的生物分子檢測。這項工作，無線生物SSoC證明具有良好的生物分子傳感特性，并具有低成本和移動應用的潛力。

10. NANO LETTERS:Silicon-Nanowire-Based CMOS-Compatible Field-Effect Transistor Nanosensors for Ultrasensitive Electrical Detection of Nucleic Acids

這項工作研究了一種新型的半導體硅納米線場效應晶體管（SiNW-FET）生物傳感器陣列的設計，可用于超靈敏的無標記和實時核酸檢測。使用互補金屬氧化物半導體兼容的各向異性自停止刻蝕技術“自上而下”制造了具有窄尺寸和高表面體積比的高響應SiNW。當用DNA探針共價修飾SiNWs時，納米傳感器響應特定的靶DNA序列顯示出高度敏感的濃度依賴性電導變化。該SiNW-FET納米傳感器顯示出超高的靈敏度，可快速可靠地檢測1 fM的靶DNA，并具有高特異性的單核苷酸多態性判別能力，同時能夠選擇性檢測禽流感的兩個病原體病毒DNA序列（H1N1和H5N1）。

11. BIOSENSORS & BIOELECTRONICS: Surface engineering for enhancement of sensitivity in an underlap-FET biosensor by control of wettability

本文旨在通過簡單地改變鈍化層的表面特性來提高電生物傳感器的靈敏度。與親水性鈍化層相比，疏水性鈍化層顯著提高了生物傳感器的靈敏度。一種經過改造的金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）被用作電生物傳感器，該晶體管在柵極和漏極之間具有設計的下重疊區。 CYTOPTM和氮化硅薄膜分別用作疏水和親水鈍化層。禽流感病毒的表面抗原及其特異性抗體分別用作探針和目標生物分子，以確認所提出的生物傳感器的靈敏度提高。與親水性鈍化相比，通過使用疏水性鈍化生物傳感器的檢出限提高了100倍，因此控制表面潤濕性的簡單表面工程可以顯著提高生物傳感器的靈敏度。

參考文獻

1.?Shui‐Jing Tang, Shuai Liu, Xiao‐Chong Yu. On-Chip Spiral Waveguides for Ultrasensitive and Rapid Detection of Nanoscale Objects. Adv.?Mater. 2018, 30, 1800262.

2.?Kuan?Chen,?Bor-Ran?Liab,?Yit-Tsong?Chen. Silicon nanowire field-effect transistor-based biosensors for biomedical diagnosis and cellular recording investigation. Nano Today. 2011, 6, 131-154.

3. Afsaneh Keshavarz,Zohreh Vafapour.?Sensing Avian Influenza Viruses Using Terahertz Metamaterial Reflector.?IEEE Sensor?J.?2019,?19, 5161-5166.

4.?Jaewon Choi, Minhong Jeun, Seong-Su Yuk. Fully Packaged Portable Thin Film Biosensor for the Direct Detection of Highly Pathogenic Viruses from On-Site Samples. ACS Nano?2019, 13, 1, 812-820.

5.?Arshak Poghossian,?Melanie Jablonski,?Claudia Koch. Field-effect biosensor using virus particles as scaffolds for enzyme immobilization.?Biosens.Bioelectron. 2018, 110,?168-174.

6.?Sufi Zafar, Christopher D’Emic,?Ashish Jagtiani. Silicon Nanowire Field Effect Transistor Sensors with Minimal Sensor-to-Sensor Variations and Enhanced Sensing Characteristics.?ACS Nano?2018, 12, 7, 6577-6587.

7. Jee-YeonKima, Jae-Hyuk?Ahna, Dong?Moon. Multiplex electrical detection of avian influenza and human immunodeficiency virus with an underlap-embedded silicon nanowire field-effect transistor. Bioelectron. 2014, 55, 162-167.

8. Anran Gao, Nengli Zou, Pengfei Dai. Signal-to-Noise Ratio Enhancement of Silicon Nanowires Biosensor with Rolling Circle Amplification.Nano Lett.?2013, 13, 9, 4123-4130.

9. Hsin-Huang Lin, I-Shun Wang, Pei-Wen Yen. A CMOS Based Polysilicon Nanowire Biosensor Platform forDifferent Biological Targets. Procedia Engineering. 2014,?87, 340-343.

10. Anran Gao, Na Lu, Pengfei Dai. Silicon-Nanowire-Based CMOS-Compatible Field-Effect TransistorNanosensors for Ultrasensitive Electrical Detection of Nucleic Acids. Nano Lett.?2011, 11, 9, 3974-3978.

11. Jee-YeonKima, Kyung?yong?Choi, Dong?Moon. Surface engineering for enhancement of sensitivity in an underlap-FET biosensor by control of wettability. Bioelectron. 2013, 41, 867-870.

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