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复旦大学团队研发新设备 实现精准生物检测核酸检测只需5分钟

复旦大学团队研发新设备 实现精准生物检测核酸检测只需5分钟

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近日,复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室魏大程课题组研发了一种基于“分子机电系统”(MolEMS)的晶体管传感芯片,该成果以“在未扩增样本中快速、超灵敏机电检测离子、生物分子和新冠病毒RNA”为题发表于《自然生物医学工程》(NatureBiomedicalEngineering)。

核酸检测是目前世界上检测新冠病毒的标准方法,但结果返回通常需要至少几个小时。由于具有高度传染性的新冠变异毒株导致病例呈指数级激增,一些国家在面对大规模核酸检测需求时压力骤增。因此,各国科学家们一直在努力开发新的检测方法以试图缩短这一过程所需的时间。

近日,复旦大学魏大程团队提出“分子机电系统”,实现精准生物检测。

研究团队表示,这种新方法不但检测速度快、具有超高的灵敏度,而且还操作简单,便于携带。因此,它可以应用在任何地方。

在测试新设备的实验中,研究人员测试了33个来自核酸检测呈阳性的新冠感染者的鼻咽拭子样本、23个来自发烧但核酸检测呈阴性的患者样本,以及来自健康志愿者的25个样本。所有临床样本均经过加热过程释放核酸,然后直接进行检测,无需核酸提取或扩增。

结果显示,新设备在约0.1-4分钟内检测到新冠病毒,与qRT-PCR检测结果完全一致。不但没有假阴性结果,而且还比传统核酸检测的速度快得多。

魏大程课题组长期致力于研究新型晶体管材料、器件及其在生物、化学和光电传感等领域的应用。他们提出的“分子机电系统”(MolEMS),即一种通过DNA分子自组装而成,通过外电场驱动,能精准调控分子识别和信号转化过程的微型装置。

通过将分子机电系统组装到石墨烯场效应晶体管上,其刚性底座有助于避免污染物的非特异性吸附;外电场驱动柔性适配体悬臂发生运动,使传感过程更加接近晶体管沟道,显著提升了灵敏度。在缓冲溶液或生物液体中实现了金属离子(Hg2+)、蛋白质(Thrombin)、生物小分子(ATP)以及新冠病毒核酸(RNA和cDNA)的超灵敏检测。检测新冠病毒核酸样本不需要复杂耗时的核酸提取和扩增过程,检出限最低达10~20拷贝每毫升,检测时间小于4分钟,优于现有新冠核酸PCR检测方法。

(a)微/纳米机电系统示意图;(b)分子机电系统示意图;(c-e)基于分子机电系统的晶体管传感器及芯片图片;(g-f)传感芯片的共聚焦荧光显微镜和原子力显微镜表征图片。

相对于微/纳米机电系统,分子机电系统实现了对传感过程更加精准的调控,为构筑高精度人造功能系统、实现痕量生物标志物检测应用提供了新思路。

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委,复旦大学和聚合物分子工程国家重点实验室的合力支持。

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新闻来源: cnbeta
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