研究人员已经创造出利用场效应晶体管（FET）供电的微芯片，这些微芯片可以通过一份空气样本以令人印象深刻的准确性识别多种疾病。这项创新技术承诺能够快速检测，并可能带来便携式诊断工具，适用于家庭和临床环境。
在迅速传播的病毒、慢性疾病和耐药菌等众多健康挑战中，对快速、可靠和用户友好的家庭诊断测试的需求达到了历史新高。想象一个未来，任何人都可以在任何地方进行这些测试，使用一个与智能手表一样紧凑和便携的设备。实现这一目标需要设计微芯片，以检测空气中存在的微量病毒或细菌。
由NYU坦顿专家主导的最新研究，包括电气与计算机工程系的达沃德·沙赫杰尔迪教授、化学与生物分子工程的赫尔曼·F·马克教授埃莉萨·里多，以及同一领域的行业副教授及前Mirimus员工朱塞佩·德·佩波，展示了创建能够从单次咳嗽或空气样本中识别多种疾病的微芯片的可行性，并且这些微芯片也可以实现大规模生产。
里多表示：“这项研究扩展了生物传感技术的可能性。微芯片是智能手机、电脑和其他智能设备的基本组成部分，已显著改变了人们的交流、休闲和工作方式。类似地，我们的创新技术能够转变医疗保健，包括医学诊断和环境健康。”
沙赫杰尔迪解释说：“这项开创性技术采用了场效应晶体管（FET），这是一种可直接识别生物标志物并将其转化为数字信号的微型电子传感器，提供了一个替代常规基于颜色的化学诊断测试（如家庭怀孕测试）的方案。这种现代方法允许更快的结果、同时测试多种疾病，并即时将信息发送给医疗专业人员。”沙赫杰尔迪负责NYU纳米制造洁净室，该研究的一部分是在这里进行的，同时也是NYU NanoBioX计划的联合主任。
场效应晶体管是现代电子学的基本组成部分，正在成为开发诊断工具的重要组件。这些小型设备可以被修改成生物传感器，允许无需依赖化学标签或漫长的实验室过程，实时检测特定病原体或生物标志物。通过将生物相互作用转化为可测量的电信号，基于FET的生物传感器提供了一个快速且适应性强的诊断平台。
最近的突破增强了FET生物传感器检测极低水平物质的能力——甚至达到飞摩尔浓度（每摩尔的一千万分之一）——通过利用纳米材料如纳米线、氧化铟和石墨烯。然而，基于FET的传感器仍面临一个主要障碍：它们无法在一个芯片上同时识别多个病原体或生物标志物。目前的传感器定制技术，如在FET表面应用生物受体（如抗体）的方式，缺乏进行更复杂诊断所需的必要精确度和规模化能力。
为了解决这一问题，研究人员正在探索修改FET表面的新方法，使芯片上的每个晶体管都可以定制以检测不同的生物标志物，从而实现多个病原体的同时检测。
引入热扫描探针光刻（tSPL）——一项创新技术，可能为这些挑战提供解决方案。这种方法允许对聚合物涂层芯片进行精确的化学图案化，使每个FET都可以配备不同的生物受体，如抗体或适配体，分辨率可小至20纳米。这一分辨率与当今先进半导体芯片中晶体管的大小相当。通过促进对每个晶体管的精确修改，这项技术为创建能够在单个芯片上检测广泛病原体的基于FET的传感器铺平了道路，具备无与伦比的灵敏度。
里多在推进tSPL技术方面发挥了重要作用，并强调其在实际应用中的重要性。“tSPL，作为一种商业光刻技术，目前的应用非常关键，能够使每个FET配备不同的生物受体，实现多重检测，”她指出。
在实验中，通过tSPL增强的FET传感器表现出卓越的性能，能够检测到低至3阿托摩尔（aM）的SARS-CoV-2刺突蛋白，以及每毫升仅10个活病毒颗粒，同时能够有效区分不同类型的病毒，包括甲型流感病毒。准确检测如此微小的病原体含量且高度特异性是创建可携带诊断设备的重要发展，这些设备可在从医院到家庭等多种环境中应用。
这些研究结果现在已在期刊《Nanoscale》上发表，并得到了位于布鲁克林的生物技术公司Mirimus和总部位于澳大利亚的全球建筑和房地产公司LendLease的支持。它们正在与NYU坦顿团队分别合作开发可穿戴健康监测设备和家庭诊断系统。
Mirimus的总裁兼首席执行官Prec Premsrirut表示：“这项研究突显了行业与学术界之间合作的力量及其在改造现代医学中潜力。NYU坦顿研究人员所做的工作将在未来疾病检测中发挥关键作用。”
项目合作者、加州大学伯克利分校的阿尔贝托·桑乔瓦尼·文森泰利补充道：“Lendlease等公司，以及其他城市再生开发商正在寻找这样的创新解决方案，以检测建筑内的生物威胁。生物防御的进步将为未来建筑引入一层新基础设施。”
随着半导体制造的进步，将数十亿个纳米级FET集成到微芯片中变得更为可行。采用纳米级精度对FET进行功能化的通用方法将使得研发能够实时检测多种疾病的复杂诊断工具成为可能，具有改变现代医学所需的速度和准确性。
