基于电化学传感器的生物芯片

新冠病毒肺炎（COVID-19）抗原检测的主要生物标记物是尖峰蛋白（S）和核衣壳蛋白（N），S蛋白包含两个亚基——S1和S2。S1蛋白包含一个独特的受体结合域（SRBD），可与人血管紧张素转换酶2（ACE2）特异性相互作用，进一步介导宿主细胞识别。SRBD是开发新冠病毒特异性识别传感探针的理想目标。N蛋白是新冠病毒最丰富的结构蛋白，并且它显示出很强的免疫原性，通常作为COVID-19检测的生物标志物。

图1 新型冠状病毒结构

近日，期刊Chemical Communications在线刊登苏州系统医学研究所张连军研究团队联合瑞士苏黎世联邦理工学院王京研究团队的研究成果（Rapid and sensitive multiplex detection of COVID-19 antigens and antibody using electrochemical immunosensor-/aptasensor-enabled biochips），详细介绍了一种基于电化学传感器的生物芯片，可对COVID-19抗原和抗体进行快速、灵敏的多重检测。

图2（a）所示为基于电化学传感器的生物芯片渲染图，其中包含多个独立的传感器。根据工作电极上包被生物标记物的不同，传感器分为电化学免疫传感器（electrochemical immunosensor）和电化学核酸适配体传感器在（electrochemical aptasensor）。

对于电化学免疫传感器，选择新冠病毒S1-IgG抗体和S1蛋白作为传感器识别元件，分别识别拭子样本中的S1蛋白和血液样本中的S1-IgG抗体。

对于电化学核酸适配体传感器，通过SELEX方法筛选的两个S1蛋白特异性核酸适配体（RBD-Ap-1、RBD-Ap-2）和一个N蛋白特异性核酸适配体（N-Ap），将其固定在传感器上，以捕获S1蛋白和N蛋白。

图2 （a）可多重检测新冠病毒S蛋白、N蛋白及IgG抗体的电化学生物传感器阵列方案；（b）ELISA评估核酸适配体与新冠靶抗原的结合时间、最小自由能二级结构和核酸适配体的解离常数（Kd）；（c）核酸适配体的交叉反应性验证。

为了制备电化学免疫传感器，研究人员将S1-IgG抗体和S1蛋白共价固定在金纳米颗粒丝网印刷电极（AuNP-SPE）表面，并进行一系列的表面修饰，具体步骤如下：

（1）在工作电极上滴加20µl 10mM半胱胺（巯基乙胺，cysteamine）溶液以引入-NH₂基团，孵育2小时后，使用PBS-T缓冲液（0.05% Tween20溶于1 × PBS溶液中，pH=7.4）进行表面清洗；

（2）将20µl 2.5%戊二醛（在PBS-T缓冲液中制备）溶液滴加到工作电极表面，孵育15分钟后，使用PBS-T溶液清洗；

（3）将20µl 50µg/ml新冠病毒特异性生物标记物（S1-lgG或S1蛋白，在PBS-T中制备）滴加在工作电极表面，孵育2小时以进行席夫碱（Schiff base）反应，然后用PBS-T缓冲液进行表面清洗。再将20µl 0.5 M乙醇胺（2-羟基乙胺，2-Aminoethanol）溶液滴加在工作电极表面，孵育15分钟后，用PBS-T缓冲液进行表面清洗，用乙醇胺的-NH₂灭活未反应的-CHO；

（4）将20µl 1%BSA溶液（在PBS-T缓冲液中制备）滴加到工作电极表面，孵育15分钟后，使用PBS-T缓冲液清洗；

（5）制备的电化学免疫传感器用氮气干燥，封口膜密封，-20°C避光储存。

图3 电化学免疫传感器表面修饰步骤示意图

为了制备电化学核酸适配体传感器，研究人员将COVID-19抗原特异性单链DNA核酸适配体（ssDNA aptamer）探针共价固定在金纳米颗粒丝网印刷电极（AuNP-SPE）表面，并进行一系列的表面修饰，具体步骤如下：

（1）将75µl 1µM硫醇化ssDNA aptamer探针与2µl 5mM TCEP（硫醇类还原剂）混合，在室温下孵育60分钟以减少二硫键；

（2）在工作电极上滴加20µl 1µmol核酸适配体探针溶液，然后避光孵育2h以固定探针；

（3）用PBS缓冲液清洗电极，然后在工作电极上滴加20µl 2mM新鲜制备的MCH溶液，室温下避光孵育2h，然后用去离子水清洗；

（4）制备的电化学核酸适配体传感器用氮气干燥，封口膜密封，-20°C避光储存。

图4 电化学核酸适配体传感器表面修饰步骤示意图

图5 核酸适配体（探针）的序列

总体而言，该研究工作中基于电化学传感器的生物芯片在COVID-19检测方面表现出较为优异的性能，例如：更低的检测限、更广的检测范围、更高的灵敏度、较短的响应时间及较好的选择性等等，有望成为COVID-19检测（家庭自检、社区快速诊断）的一把“利器”。

图6 COVID-19检测方法汇总及检测性能比较

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D2CC01598F

审核编辑 ：李倩