逆境中的希望：病毒检测研究进展

2020年初，新型冠状病毒肆虐全国：由于病毒能够通过溶胶传染，确诊人数一直在增长。因此对于传染性病毒的检测研究有十分重要的意义。本文总结了近年来这一领域的突破性研究工作，以供各位同行参考。

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

纳米材料的超灵敏和快速检测特性在基础研究和实际应用中都至关重要。在微腔，等离子共振器和纳米纤维中使用渐逝场的光学传感器允许无标记检测单个分子，但是由于响应时间长和重复性差阻碍了实际应用。这项工作展示了一种On-Chip密集波导传感器，该传感器可在强光渐逝场中检测单个未标记的纳米颗粒。与直线波导相比，螺旋纳米波导设计可使检测面积提高两个数量级，从而显着提高了粒子捕获能力并缩短了目标分析时间单个颗粒的检测极限降低到100 nm。绝缘体上硅平台上的波导传感器可以通过常规的半导体工艺可重复制造，并且与表面功能化化学物质和微流体兼容，从而可以广泛用于环境监测和人体健康的传感。

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

硅纳米线场效应晶体管（SiNW-FET）作为生物传感器设计中的一种有前途的工具，因其超高的灵敏度，选择性以及无标记和实时检测功能而备受关注。这篇文章回顾了最近发表的SiNW-FET传感器的器件制造和生物医学应用的文献。在生物学研究领域，SiNW-FET用于蛋白质，DNA序列，小分子，癌症生物标志物和病毒的检测。文章讨论了SiNW-FET器件与代表性示例集成在一起并推进病毒感染诊断或早期癌症检测的方法。另外，还回顾了SiNW-FET在记录细胞或组织的生理反应中的应用。最后，本文将重点总结了SiNW的三维（3D）纳米FET探针的新颖设计，以记录细胞内信号。

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

这项工作使用太赫兹（THz）生物传感超材料（MM）高度精确地检测了禽流感（AI）三种亚型，即H1N1，H5N2和H9N2病毒，该材料由位于H型石墨烯共振器上的H形石墨烯共振器组成半导体膜。在太赫兹频率范围内检测到三种具有不同复数折射率（CRI）的AI病毒亚型。在纳米传感器/检测器设备附近放置不同的传感材料时，反射的共振频率会发生变化，进而导致测量纳米传感器/检测器检测传感器的灵敏度。文章研究了三种具有不同蛋白质浓度和不同RI值的AI病毒亚型的检测，观察到THz纳米生物传感器/检测器的共振频率随被检测病毒的RI变化而变化。H9N2病毒的共振位移较高，该病毒具有大量的RI实部，频率偏移随着RI实部的减少而减小。

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），病毒会在宿主体内迅速积聚，早期检测对于阻止致命疾病进一步传播到其他地区至关重要。当前的现场方法检测限很低（105-106 EID₅₀ / mL），该病毒的早期浓度很低不易检测。薄膜晶体管（TFT）是一种有研究潜力的生物传感器系统，具有很高的灵敏度，无标记的检测和快速的响应时间。但是TFT容易受光，噪声，振动和有限使用的影响，极大地限制生物传感器的。这篇文章将TFT电化学生物传感器开发为集成的芯片。将该生物传感器放入生物安全等级3（BSL-3）的实验室中，以分析将设备中的样品测量值与通过RT-PCR获得的病毒浓度数据（病毒范围：10⁰–10⁴ EID₅₀ / mL）进行了比较。

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

这篇文章提出了一种利用烟草花叶病毒（TMV）颗粒作为支架进行酶固定的场效应生物传感器。纳米管TMV支架可将定位精确的酶紧密固定，并保持活性。通过将青霉素酶与病毒颗粒偶联作为模型系统，开发了一种青霉素传感器。带有病毒颗粒的生物传感器表面的形态为通过扫描电子显微镜和原子力显微镜方法表征。这些传感器在从0.1µmM到10µmM的几乎线性范围内，具有高达〜92µmV / dec的青霉素敏感性，并具有约50µµM的低检测限。青霉素生物传感器在大约一年的时间内进行了长期稳定性测试，没有任何明显的灵敏度损失。该生物传感器也已成功应用于牛乳样品中的青霉素检测。

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

这项工作将纳米加工，设备仿真，材料和电特性表征的组合方法应用于识别和改进制备的传感器之间的差距。在8英寸绝缘体上硅晶圆上制造硅纳米线FET传感器的增强型互补金属氧化物半导体兼容工艺。纳米线（30 nm）FET的能斯特极限亚阈值摆幅（SS）为60±1 mV /decade，变化率为1.7％，而SS的文献资料值为≥80mV /decade。与文献数据相比，制得的器件阈值电压变化显着降低（约3倍）。改进的FET显着降低了漏极电流迟滞（〜0.6 mV），并提高了导通电流与截止电流之比（〜10⁶）。这些改进导致纳米线FET传感器报告的传感器间差异比之前研究小（约3％），灵敏度、信噪比更大，缺陷密度为2.1×10¹⁸ eV^-1 cm^-3。这项工作使纳米线传感器技术更接近于疾病的早期诊断和监测的实际应用。

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

这项工作通过埋在下面的硅（Si）纳米线场效应晶体管，证明了对禽流感（AI）和人类免疫缺陷（HIV）病毒的抗体和抗原结合的无标记电检测。通过等离子体蚀刻工艺组合的各向同性和各向异性图案化技术来制造Si纳米线。该传感器是通过自对准工艺制造的，可以精确控制下重叠区域。使用制得的器件对于AI和HIV的多重检测，在每种情况下均显示出独特的选择性。因此，所提出的装置对于生物分子的无标记，电和多重检测具有固有的益处。其工艺与目前用于制造半导体器件的商业化技术兼容。这一新型结构和材料制造工艺制得的芯片构建的即时检验（POCT）系统该系统具有制备简单，低成本的优势。

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

本文首次展示了一种基于硅纳米线场效应晶体管（SiNW-FET）的滚环扩增（RCA）技术，用于快速，无标记和特异的DNA检测。将探针DNA固定在SiNW的表面，然后与完全匹配的目标DNA和RCA引物进行夹心杂交，RCA引物充当与RCA模板杂交的引物。RCA反应产生了长的单链DNA（ssDNA）产物，因此显着增强了SiNW的电子响应。纳米传感器响应特定的靶DNA序列显示出高度敏感的浓度依赖性电导变化。由于大量重复序列的RCA产物结合在一起，因此1 fM DNA检测的SNR大于20，检测限为50 aM。SiNW FET传感器与RCA的组合将提高诊断能力，并增强实验室检测意外病毒的能力，使其成为早期诊断基因相关疾病的潜在工具。

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

随着现代社会的发展，对疾病的预防和适当治疗的现场和个性化诊断已变得很重要。为了满足这一需求，在这项工作中，基于0.35 μm的2-Poly-4-Metal（2P4M）互补金属设计和制造了基于多晶硅纳米线（poly-Si NW）的生物传感器片上系统（bio-SSoC）。poly-Si NW生物传感器与基于斩波器差分差分放大器（DDA）的模拟前端（AFE）集成在一起，可以逐次逼近模数转换器（SAR ADC）和微控制器比传统的Si NW离散测量系统具有更好的检测测能力，CMOS集成技术用于新兴的生物诊断技术。该集成技术可对乙型肝炎病毒DNA（10 fM）和心肌肌钙蛋白I蛋白（3.2 pM）进行无标记且低浓度的生物分子检测。这项工作，无线生物SSoC证明具有良好的生物分子传感特性，并具有低成本和移动应用的潜力。

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

这项工作研究了一种新型的半导体硅纳米线场效应晶体管（SiNW-FET）生物传感器阵列的设计，可用于超灵敏的无标记和实时核酸检测。使用互补金属氧化物半导体兼容的各向异性自停止刻蚀技术“自上而下”制造了具有窄尺寸和高表面体积比的高响应SiNW。当用DNA探针共价修饰SiNWs时，纳米传感器响应特定的靶DNA序列显示出高度敏感的浓度依赖性电导变化。该SiNW-FET纳米传感器显示出超高的灵敏度，可快速可靠地检测1 fM的靶DNA，并具有高特异性的单核苷酸多态性判别能力，同时能够选择性检测禽流感的两个病原体病毒DNA序列（H1N1和H5N1）。

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

本文旨在通过简单地改变钝化层的表面特性来提高电生物传感器的灵敏度。与亲水性钝化层相比，疏水性钝化层显着提高了生物传感器的灵敏度。一种经过改造的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）被用作电生物传感器，该晶体管在栅极和漏极之间具有设计的下重叠区。 CYTOPTM和氮化硅薄膜分别用作疏水和亲水钝化层。禽流感病毒的表面抗原及其特异性抗体分别用作探针和目标生物分子，以确认所提出的生物传感器的灵敏度提高。与亲水性钝化相比，通过使用疏水性钝化生物传感器的检出限提高了100倍，因此控制表面润湿性的简单表面工程可以显着提高生物传感器的灵敏度。

参考文献

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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