氣溶膠噴射納米印刷還原氧化石墨烯涂層3D電極對新冠肺炎抗體的秒級檢測

供稿人：蘇棟 李驍 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

SARS-CoV-2引發(fā)了具有重大全球影響的新冠肺炎大流行，快速診斷對該疾病的治療和預(yù)防至關(guān)重要�？▋�(nèi)基梅隆大學(xué)的R. Panat教授團隊開發(fā)了一種基于納米材料的生物傳感平臺，可以在幾秒鐘內(nèi)檢測到新冠肺炎抗體。該生物傳感平臺是通過三維納米打印的三維電極，在電極上覆蓋還原石墨烯氧化物(rGO)的納米薄片，并將特定的病毒抗原固定在rGO納米薄片上創(chuàng)建的，然后將電極與微流控裝置集成在一起，并用于標準的電化學(xué)池。當(dāng)抗體被引入電極表面時，它們選擇性地與抗原結(jié)合，改變通過阻抗譜檢測到的電路的阻抗�？贵w的檢測下限分別為2.8×10−15和16.9×10−15M。并通過引入一種低pH化學(xué)物質(zhì)，將抗體從抗原中洗脫出來，傳感器可以在一分鐘內(nèi)再生，從而允許使用相同的傳感器連續(xù)檢測測試樣本。該傳感平臺對S1和RBD抗體的檢測是特異的，既不與RBD、S1和核衣殼抗體等其他抗體交叉反應(yīng)，也不與白細胞介素6等蛋白質(zhì)交叉反應(yīng)。傳感平臺也可用于檢測埃博拉、艾滋病毒和寨卡病毒等其他傳染病病原體的生物標記物。

3DcC器件的原理圖以及3D電極的AJ納米打印如圖1所示。涂有圖案的鉻和金的玻璃片形成了電化學(xué)電池的三個電極的基層(圖1a)。AJ打印機通過超聲波將小瓶中的金納米顆粒墨水分解成微滴，微滴通過惰性氣體被帶到噴嘴上，并以空氣動力學(xué)方式聚焦在WE上，WE被加熱到150°C(圖1b)。沉積呈微環(huán)狀的金納米墨水過程中一旦打印了一層，由于來自基材的熱量，溶劑就會蒸發(fā)，形成含有納米顆粒和粘結(jié)劑的固化干燥材料。當(dāng)印刷下一個環(huán)時，環(huán)中溶劑的表面張力允許在不使用任何支撐結(jié)構(gòu)的情況下建立微柱，每一層環(huán)的厚度約為5-10微米，并在不到一秒的時間內(nèi)形成。一系列的這些工藝形成了由未燒結(jié)納米顆粒和粘結(jié)劑組成的10×10微柱陣列。通過對印刷結(jié)構(gòu)的燒結(jié)，形成了用于電極的金微柱(圖1c,d)。使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模具和聚二甲基硅氧烷(PDMS)反向模具來創(chuàng)建PDMS微流體通道(圖1e)。最終構(gòu)成了3DcC器件的完整結(jié)構(gòu)(圖1f)，通過插入微流體通道的管子將流體引入裝置中。

圖1 氣溶膠噴射納米粒子3D打印新冠肺炎測試芯片(3DcC)制造工藝示意圖。(a)具有圖案化金膜的玻璃基板，形成用于3DcC的電化學(xué)電池的工作電極(WE)、對電極(CE)和參比電極(RE)的基座。(b)建造氣霧劑噴射機，利用超聲波能量將金墨轉(zhuǎn)化為由微滴組成的氣霧劑，并通過氮氣將其輸送到噴嘴，在噴嘴上使用鞘氣體(氮氣)將金膜聚焦在金膜上，以形成微柱。 (c)AJ打印的10×10金微柱陣列 (d)單個微柱的AJ印刷細節(jié)，其中使用印刷油墨的表面張力(γ)實現(xiàn)納米顆粒油墨的微環(huán)的快速逐層堆疊。整個過程無需使用任何支撐結(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)。一旦打印了一層，油墨就會由于壓板(使用定制加熱器加熱到150°C)的熱量而失去溶劑。干燥的油墨為接收下一個微環(huán)提供了基座，并且重復(fù)該過程。(e)制造3DcC器件的PDMS外殼的工藝。PDMS結(jié)構(gòu)是使用PMMA母模使用復(fù)制模制成的。A段尺寸為1×1×5 mm3，A1段尺寸為2×1×10 mm3。該結(jié)構(gòu)充當(dāng)PDMS外殼的反向模具，該PDMS外殼包含用于微流控通道的腔 (f)將帶有微流控通道的PDMS外殼放置在具有微柱電極的玻璃基板上形成的3DcC器件。

為了研究使用 3DcC 設(shè)備檢測RBD抗體的效果。該裝置具有固定SARS-CoV-2 RBD-His重組抗原的微柱電極。顯示了每種濃度的RBD抗體與對照生物流體(例如rs和 fbs)的EIS光譜(圖2a)；而在兩次連續(xù)再生后(圖2b,c)，RBD抗體濃度設(shè)置為1×10-15 M至20× 10-9M測試傳感器。傳感器基礎(chǔ)信號是通過在pbs溶液存在下收集阻抗譜獲得的，其中傳感器顯示的Rct為3.89 kΩ(圖2d)。對于rs和fbs，與傳感器基線相比，傳感器在再生后的阻抗顯示出3.0%的偏差。當(dāng)引入1.0×10-15M度的RBD抗體時，傳感器沒有顯示任何增加的信號。在RBD抗體濃度為1×10-12M，Rct值變?yōu)?.07 kΩ。與尖峰S1抗體類似，隨著RBD抗體的濃度從1×10-12M加到20×10-9M時發(fā)現(xiàn)Rct值增加(圖2d)。RBD傳感器的再生通過1.0M甲酸(pH 2.5)溶液在60s內(nèi)完成；與用于再生S1抗體的方法相同。RBD傳感器在1×10-12和100×10-12M以及100×10-12M到20×10-9M之間表現(xiàn)出不同的線性響應(yīng)。兩次再生后，觀察到RBD傳感器的靈敏度損失最小(±1%)。RBD傳感器可以提供低LoD和分別為16.9×10-15M和1×10-15 M的分析靈敏度。

圖2 再生時感應(yīng)不同摩爾濃度的 SARS-CoV-2 受體結(jié)合域 (RBD) 抗原抗體。(a)通過 EIS 方法測量的 3DcC 傳感器的奈奎斯特圖，不含和含 RBD 抗體，濃度為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)在通過由1.0M(pH 2.5)甲酸溶液組成的低pH化學(xué)物質(zhì)進行兩次連續(xù)傳感器再生后，與(a)中的相似的奈奎斯特圖。再生在60秒內(nèi)完成。對于所有濃度，(b,c)中的信號在(a)中的95%以內(nèi)。(d) 3DcC傳感器的電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)，在(a-c)中的數(shù)據(jù)每次再生前后，每種濃度的抗體和對照血清。(a-d)中的胎牛血清(fbs)和兔血清(rs)用作對照生物流體。對于所有測量，使用了 50 × 10−3 M pbs (pH 7.4)溶液，其中含有等摩爾濃度(5×10−3M)的亞鐵/鐵氰化物介體。對于三個數(shù)據(jù)集，在每個抗體濃度下獲得三個連續(xù)讀數(shù)。應(yīng)用從1到10 000 Hz的檢測頻率來獲得該數(shù)據(jù)。該圖中的所有測量都沒有孵育時間。(d)中的Rct值是通過將(a-c)中的數(shù)據(jù)擬合到圖2e中所示的Randles等效電路來計算的。

這項工作結(jié)果表明，目前開發(fā)了一種基于納米材料的先進生物傳感平臺，可以在幾秒鐘內(nèi)檢測到針對SARS-CoV-2的抗體，這個生物傳感平臺允許快速檢測和早期隔離感染。該測試平臺可被用于檢測其他病原體的生物標記物。最后，該平臺將提供一個強大的工具來研究感染期間和康復(fù)后的免疫反應(yīng)動態(tài)。

參考文獻：
Md.Azahar Ali, Chunshan Hu, Sanjida Jahan, et al. Sensing of COVID-19 Antibodies in Seconds via Aerosol Jet Nanoprinted Reduced-Graphene-Oxide-Coated 3D Electrodes [J]. ADVANCED MATERIALS, 2021, 33,2006647. https://doi.org/10.1002/adma.202006647