[論文レビュー] Ultrasensitive Real-Time Detection of SARS-CoV-2 Proteins with Arrays of Biofunctionalized Graphene Field-Effect Transistors

Hamid Reza Rasouli, David A. Kaiser+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2026

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ひとこと要約

この研究は、自動化マイクロ流体制御と共に単一チップ上に集積された生体機能化グラフェン場効果トランジスタの配列を用いて、SARS-CoV-2スパイク蛋白と核衣殻蛋白のリアルタイムかつ多重検出を実現し、attoMレベルの感度を達成する。

ABSTRACT

With the growing interest in graphene field-effect transistors (GFETs) for biosensing applications, there is a strong demand for strategies enabling flexible and multiplexed biofunctionalization, as well as highly parallel, real-time electronic readout integrated with microfluidic control. Here we present a methodology that addresses these challenges by enabling real-time, parallel monitoring of multiple GFETs integrated on a single microfabricated chip within an automated electronic and microfluidic platform. We demonstrate the capabilities of this approach through ultrasensitive detection of the SARS-CoV-2 spike (S) and nucleocapsid (N) proteins. GFET chips are functionalized via van der Waals assembly using 1 nm-thick molecular two-dimensional (2D) materials - carbon nanomembranes - which enable multiplexed biofunctionalization. The chips are integrated into a custom-developed microelectronic and microfluidic system that allows parallel, real-time, and automated measurements of 15 GFETs. We present in situ biofunctionalization of the GFETs with antibodies, followed by highly specific detection of the S- and N-proteins with limits of detection down to 10 aM and a dynamic range spanning four orders of magnitude. Owing to its versatility, the presented methodology is readily adaptable for sensing a wide range of biological and chemical targets.

研究の動機と目的

• GFETsの生体機能化を柔軟かつ多重化させる必要性に対応する。
• マイクロ流体と統合した平行・リアルタイムの電子読み出しプラットフォームを単一チップ上に開発する。
• SおよびNタンパク質の超高感度検出を、複数機能化されたGFETを用いて実現する。

提案手法

• van der Waalsアセンブリを用いてGFETを1 nm厚のカーボンナノマームで機能化し、多重機能化を実現する。
• 平行・リアルタイム測定を可能にする、15個のGFETを含むカスタム電子系とマイクロ流体系を統合する。
• SおよびNタンパク質抗体による原位生体機能化を実施し、検出を行う。
• 動的レンジ4桗の範囲で、検出限界を10 aMまで実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一チップ上のGFETの生体機能化アレイはSARS-CoV-2タンパク質のリアルタイム多重検出を提供できるか。
• RQ2 このプラットフォームを用いたSおよびNタンパク質の検出限界とダイナミックレンジはどこまで達成可能か。
• RQ3 自動マイクロ流体統合による平行読み出しとvan der Waals組み立てカーボンナノマーム機能化は適合するか。

主な発見

• 自動化プラットフォーム内で15個のGFETをリアルタイームかつ並列でモニタリング。
• SおよびNタンパク質の特異的検出を可能にする抗体による原位生体機能化。
• ターゲットタンパク質の検出限界が10 aMまで達成。
• 動的レンジは4桁のオーダーに及ぶ。