供稿人：苏栋 李骁 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2022-10-15
SARS-CoV-2引发了具有重大全球影响的新冠肺炎大流行，快速诊断对该疾病的治疗和预防至关重要。卡内基梅隆大学的R. Panat教授团队开发了一种基于纳米材料的生物传感平台，可以在几秒钟内检测到新冠肺炎抗体。该生物传感平台是通过三维纳米打印的三维电极，在电极上覆盖还原石墨烯氧化物(rGO)的纳米薄片，并将特定的病毒抗原固定在rGO纳米薄片上创建的，然后将电极与微流控装置集成在一起，并用于标准的电化学池。当抗体被引入电极表面时，它们选择性地与抗原结合，改变通过阻抗谱检测到的电路的阻抗。抗体的检测下限分别为2.8×10−15和16.9×10−15M。并通过引入一种低pH化学物质，将抗体从抗原中洗脱出来，传感器可以在一分钟内再生，从而允许使用相同的传感器连续检测测试样本。该传感平台对S1和RBD抗体的检测是特异的，既不与RBD、S1和核衣壳抗体等其他抗体交叉反应，也不与白细胞介素6等蛋白质交叉反应。传感平台也可用于检测埃博拉、艾滋病毒和寨卡病毒等其他传染病病原体的生物标记物。
3DcC器件的原理图以及3D电极的AJ纳米打印如图1所示。涂有图案的铬和金的玻璃片形成了电化学电池的三个电极的基层(图1a)。AJ打印机通过超声波将小瓶中的金纳米颗粒墨水分解成微滴，微滴通过惰性气体被带到喷嘴上，并以空气动力学方式聚焦在WE上，WE被加热到150°C(图1b)。沉积呈微环状的金纳米墨水过程中一旦打印了一层，由于来自基材的热量，溶剂就会蒸发，形成含有纳米颗粒和粘结剂的固化干燥材料。当印刷下一个环时，环中溶剂的表面张力允许在不使用任何支撑结构的情况下建立微柱，每一层环的厚度约为5-10微米，并在不到一秒的时间内形成。一系列的这些工艺形成了由未烧结纳米颗粒和粘结剂组成的10×10微柱阵列。通过对印刷结构的烧结，形成了用于电极的金微柱(图1c,d)。使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模具和聚二甲基硅氧烷(PDMS)反向模具来创建PDMS微流体通道(图1e)。最终构成了3DcC器件的完整结构(图1f)，通过插入微流体通道的管子将流体引入装置中。
图1 气溶胶喷射纳米粒子3D打印新冠肺炎测试芯片(3DcC)制造工艺示意图。(a)具有图案化金膜的玻璃基板，形成用于3DcC的电化学电池的工作电极(WE)、对电极(CE)和参比电极(RE)的基座。(b)建造气雾剂喷射机，利用超声波能量将金墨转化为由微滴组成的气雾剂，并通过氮气将其输送到喷嘴，在喷嘴上使用鞘气体(氮气)将金膜聚焦在金膜上，以形成微柱。 (c)AJ打印的10×10金微柱阵列 (d)单个微柱的AJ印刷细节，其中使用印刷油墨的表面张力(γ)实现纳米颗粒油墨的微环的快速逐层堆叠。整个过程无需使用任何支撑结构即可实现。一旦打印了一层，油墨就会由于压板(使用定制加热器加热到150°C)的热量而失去溶剂。干燥的油墨为接收下一个微环提供了基座，并且重复该过程。(e)制造3DcC器件的PDMS外壳的工艺。PDMS结构是使用PMMA母模使用复制模制成的。A段尺寸为1×1×5 mm3，A1段尺寸为2×1×10 mm3。该结构充当PDMS外壳的反向模具，该PDMS外壳包含用于微流控通道的腔 (f)将带有微流控通道的PDMS外壳放置在具有微柱电极的玻璃基板上形成的3DcC器件。
为了研究使用 3DcC 设备检测RBD抗体的效果。该装置具有固定SARS-CoV-2 RBD-His重组抗原的微柱电极。显示了每种浓度的RBD抗体与对照生物流体(例如rs和 fbs)的EIS光谱(图2a)；而在两次连续再生后(图2b,c)，RBD抗体浓度设置为1×10-15 M至20× 10-9M测试传感器。传感器基础信号是通过在pbs溶液存在下收集阻抗谱获得的，其中传感器显示的Rct为3.89 kΩ(图2d)。对于rs和fbs，与传感器基线相比，传感器在再生后的阻抗显示出3.0%的偏差。当引入1.0×10-15M度的RBD抗体时，传感器没有显示任何增加的信号。在RBD抗体浓度为1×10-12M，Rct值变为5.07 kΩ。与尖峰S1抗体类似，随着RBD抗体的浓度从1×10-12M加到20×10-9M时发现Rct值增加(图2d)。RBD传感器的再生通过1.0M甲酸(pH 2.5)溶液在60s内完成；与用于再生S1抗体的方法相同。RBD传感器在1×10-12和100×10-12M以及100×10-12M到20×10-9M之间表现出不同的线性响应。两次再生后，观察到RBD传感器的灵敏度损失最小(±1%)。RBD传感器可以提供低LoD和分别为16.9×10-15M和1×10-15 M的分析灵敏度。
图2 再生时感应不同摩尔浓度的 SARS-CoV-2 受体结合域 (RBD) 抗原抗体。(a)通过 EIS 方法测量的 3DcC 传感器的奈奎斯特图，不含和含 RBD 抗体，浓度为1×10-15 M、1×10-15 M、1×10-12 M、100×10-12 M、1×10−9 M、10×10−9 M和20×10−9 M在pbs溶液中。(b,c)在通过由1.0M(pH 2.5)甲酸溶液组成的低pH化学物质进行两次连续传感器再生后，与(a)中的相似的奈奎斯特图。再生在60秒内完成。对于所有浓度，(b,c)中的信号在(a)中的95%以内。(d) 3DcC传感器的电荷转移电阻(Rct)，在(a-c)中的数据每次再生前后，每种浓度的抗体和对照血清。(a-d)中的胎牛血清(fbs)和兔血清(rs)用作对照生物流体。对于所有测量，使用了 50 × 10−3 M pbs (pH 7.4)溶液，其中含有等摩尔浓度(5×10−3M)的亚铁/铁氰化物介体。对于三个数据集，在每个抗体浓度下获得三个连续读数。应用从1到10 000 Hz的检测频率来获得该数据。该图中的所有测量都没有孵育时间。(d)中的Rct值是通过将(a-c)中的数据拟合到图2e中所示的Randles等效电路来计算的。
这项工作结果表明，目前开发了一种基于纳米材料的先进生物传感平台，可以在几秒钟内检测到针对SARS-CoV-2的抗体，这个生物传感平台允许快速检测和早期隔离感染。该测试平台可被用于检测其他病原体的生物标记物。最后，该平台将提供一个强大的工具来研究感染期间和康复后的免疫反应动态。