通过使用热扫描探针光刻技术，将不同的生物受体定点固定在单个场效应晶体管上。每个生物受体都可以进行调整以检测不同的疾病。图片来源：纽约大学坦登工程学院

当今世界正面临多种健康威胁，从快速传播的病毒到慢性疾病和耐药细菌，对快速、可靠且易于使用的家庭诊断检测的需求从未如此强烈。想象一下，在未来，任何人都可以使用像智能手表这样小巧便携的设备在任何地方进行这些测试。为此，您需要能够检测空气中微小浓度的病毒或细菌的微芯片。

现在，新的研究表明，可以开发和构建微芯片，这些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。来自纽约大学 Tandon 教师的团队包括电气与计算机工程教授 Davood Shahrjerdi;Herman F. Mark 化学和生物分子工程教授 Elisa Riedo;以及 Giuseppe de Peppo，化学和生物分子工程行业副教授，之前曾在 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，它改变了人们的通信、娱乐和工作方式。同样，今天，我们的技术将使微芯片能够彻底改变医疗保健，从医疗诊断到环境健康，“Riedo 说，

Shahrjerdi 说：“本文中展示的创新技术使用场效应晶体管 （FET），这是一种微型电子传感器，可直接检测生物标志物并将其转换为数字信号，为传统的基于颜色的化学诊断测试（如家庭妊娠测试）提供了替代方案。

“这种先进的方法可以更快地获得结果，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 计划的联合主任。

场效应晶体管是现代电子产品的主要产品，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，而无需化学标签或冗长的实验室程序。通过将生物相互作用转换为可测量的电信号，基于 FET 的生物传感器提供了一个快速、多功能的诊断平台。

最近的进展通过结合纳米线、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推向了非常小的水平——低至飞摩尔浓度或一千万亿摩尔。然而，尽管具有潜力，基于 FET 的传感器仍然面临重大挑战：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，例如将抗体等生物受体滴铸到 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，允许定制芯片上的每个晶体管以检测不同的生物标志物。这将使多种病原体的并行检测成为可能。

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，从而能够以高达 20 纳米的分辨率使用不同的生物受体（例如抗体或适配体）对单个 FET 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改，这种方法为基于 FET 的传感器的开发打开了大门，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 技术的开发和推广中发挥了重要作用，他认为它在这里的使用进一步证明了这种纳米制造技术可以用于实际应用的开创性方式。“tSPL 现在是一种市售的光刻技术，一直是用不同的生物受体对每个 FET 进行功能化以实现多路复用的关键，”她说。

在测试中，使用 tSPL 功能化的 FET 传感器显示出卓越的性能，可检测低至 3 阿摩尔 （aM） 浓度的 SARS-CoV-2 刺突蛋白和低至 10 个活病毒颗粒/毫升，同时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如此微量的病原体，是创造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》（Nanoscale）杂志上，得到了布鲁克林生物技术公司Mirimus和澳大利亚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。

“这项研究展示了工业界和学术界合作的力量，以及它如何改变现代医学的面貌，”Mirimus 总裁兼首席执行官 Prem Premsrirut 说。“NYU Tandon 的研究人员正在开展的工作将在未来的疾病检测中发挥重要作用。”

“Lendlease 等公司和其他参与城市更新的开发商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”

随着半导体制造的不断发展，将数十亿个纳米级 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。一种通用的、可扩展的方法，用于以纳米级精度对 FET 表面进行功能化，将能够创建复杂的诊断工具，这些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。

更多信息：Alexander James Wright 等人，用于生物传感应用的场效应晶体管的纳米级定位多路复用生物激活，纳米级（2024 年）。

DOI： 10.1039/D4NR02535K

期刊信息： Nanoscale 

由纽约大学坦登工程学院提供