疾病快速筛查和社会生物安全保障需要对疾病相关标志物和强烈传染性的微生物、病毒能够快速精准检测。当前的主流检测手段有用于核酸检测的聚合酶链式反应（PCR），和用于抗原抗体检测的酶联免疫反应（ELISA）。ELISA检测的精度较低，难以实现早期的精准筛查；目前的金标准诊断方法是采用PCR技术检测，该技术具有特异性高、准确性好等优点，然而由于核心传感芯片灵敏度低，仍然面临着需要大量扩增而检测等待时间长的问题，且所需设备及试剂复杂，需要专业人士操作。因此这些方法都难以做到快速精准的现场检测。

半导体单壁碳纳米管直径1-2nm，尺寸与生物分子相当甚至更小，因此其电阻极易受到表面吸附生物分子的影响，使得其可以构建非常灵敏的生物传感芯片。且碳纳米管由碳元素单一构成，因而具有良好化学稳定性和生物兼容性。碳纳米管生物传感芯片利用半导体微加工工艺，可以实现传感芯片的大规模批量均一制备。北京大学碳基电子学研究中心张志勇教授-肖梦梦博士团队与中国人民解放军疾病预防控制中心柯跃华团队合作，开发了一种基于多功能浮栅型碳纳米管场效应晶体管(FG-CNT FET)生物传感器用于SARS-CoV-2病毒抗原和病毒RNA的快速检测。通过对不同的传感器浮栅区域分别修饰对抗原和病毒RNA片段分别具有特异性的核酸适配体和单链DNA,可以实现对病毒本身和病毒内遗传物质的同步检测。利用该平台，可以实现检测病毒和具体的病毒变体分型，可以对烈性传染病的快速筛查和防控提供更有力的保障。

图1. COVID-19 FG-CNT FET生物传感器双重检测SARS-CoV-2

为了克服实际检测中传统场效应晶体管传感器面临的德拜屏蔽问题，该研究特地选取了位于全病毒序列前、中、后三个位置对应的互补短链DNA作为探针，实现多位点捕获RNA链，增加捕获效率。同时长链的RNA序列可以被更有效地拉近到器件表面，降低德拜屏蔽的影响，从而增加对实际临床样本长链病毒核酸检测灵敏度。通过新冠病毒和其他冠状病毒对照实验，传感器对新冠病毒RNA的检测下限（limit of detection，LOD）为0.05 copies/µL(相当于20 μl样品中有1个病毒)。另一方面，作者还构建了小分子适配体修饰的FG-CNT FET生物传感器，可检测SARS-CoV-2病毒表面抗原，对复杂环境（UTM，病毒保存液）中的刺突蛋白的LOD低至100 ag/mL，可以实现对于灭活病毒直接捕获识别。

图2. FG-CNT FET生物传感器检测SARS-CoV-2病毒表面抗原

图3. FG-CNT FET生物传感器检测SARS-CoV-2病毒RNA

该研究为了评估FG-CNT FET传感器在临床样本中检测SARS-CoV-2的性能，分别对10名确诊患者和10名健康个体的咽拭子样本进行检测，分为两组，一组通过多探针修饰方式检测无扩增SARS-CoV-2 RNA。一组通过适配体修饰方式检测病毒表面抗原。两组检测结果中COVID-19患者的平均反应水平显著高于健康对照，在抗原检测中，FG-CNT FET传感器的阳性预测符合率和阴性预测符合率均为100%，展示出传感器在临床应用的潜力。

图4. FG-CNT FET生物传感器测试临床样本（病毒和RNA）

最后，该研究展示了一套便携式多功能测试系统，以评估FG-CNT FET传感器快速筛选样品的能力。传感器可实现对低浓度未扩增临床RNA提取样本(qRT-PCR循环阈值= 39) )的快速响应。为了进一步缩短诊断时间，采用适配体功能化传感器直接检测灭活病毒，无需任何预提取，传感器可以在1 min内实时区分出阳性样本和阴性样本。进一步表明，该传感器能够在短时间内从临床咽拭子中快速检测SARS-CoV-2，灵敏度可低至单病毒水平，展示出了FG-CNT FET传感器可以直接检测未经处理病毒样本，在现场快速检测中具有一定的潜力。

图5. 便携式传感测试平台对病毒和RNA实时检测

北京大学碳基电子学研究中心在读博士生梁玉琪和碳基电子学研究中心助理研究员肖梦梦为文章共同第一作者，北京大学电子学院碳基电子学研究中心张志勇教授、肖梦梦博士和中国人民解放军疾病预防控制中心柯跃华副研究员为文章共同通讯作者。

本工作得到了国家重点研发项目（Grant No. 2022YFB3204402, 2022YFB4401601）和国家自然科学基金（Grant No. 62174007, 62225101）的支持。该研究中提出的多探针增强策略和多种标志物组合检测策略使碳管场效应晶体管生物传感器具有高灵敏度和高可靠性。小型便携式测试系统也为临床检测提供了一个通用的快速诊断平台。碳基场效应晶体管型生物传感平台为未来可能发生大规模流行传染病的快速精准筛查提供了储备技术。

论文信息：

Amplification-Free Detection of SARS-CoV-2 Down to Single Virus Level by Portable Carbon Nanotube Biosensors

Yuqi Liang, Mengmeng Xiao*, Jing Xie, Jiahao Li, Yuyan Zhang, Haiyang Liu, Yang Zhang, Jianping He, Guojun Zhang, Nan Wei, Lian-Mao Peng, Yuehua Ke*, Zhi-Yong Zhang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202208198