[논문 리뷰] Ultrasensitive Real-Time Detection of SARS-CoV-2 Proteins with Arrays of Biofunctionalized Graphene Field-Effect Transistors

Hamid Reza Rasouli, David A. Kaiser외 10명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 16.

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한 줄 요약

이 연구는 자동화된 미세유체 제어가 단일 칩에 통합된 바이오기능화 그래핀 FET 어레이를 이용하여 SARS-CoV-2 스파이크 및 뉴클레오캡시드 단백질을 실시간으로 다중화 검출하고, attomolar sensitivity를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• GFET의 생물학적 기능화에 대한 유연하고 다중화된 필요성에 대한 addressing.
• 단일 칩에 마이크로유체와 통합된 병렬, 실시간 전자판독 플랫폼을 개발.
• GFET를 이용한 S 및 N 단백질의 다중 기능화로 초감도 검출을 가능하게 함.

제안 방법

• GFET를 1 nm 두께의 카본 나노막을 이용해 다중화 생체기능화를 가능하게 하는 van der Waals 조립으로 기능화한다.
• 병렬, 실시간 측정을 위한 15개의 GFET를 포함하는 맞춤형 전자 시스템과 마이크로유체 시스템으로 GFET 칩을 통합한다.
• S 및 N 단백질에 대한 항체를 이용한 현장 생체기능화를 수행한 뒤 검출을 수행한다.
• 동적 범위가 네 자릿수에 걸친 10 aM까지의 검출 한계를 시연한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 칩 위의 바이오기능화 GFET 어레이가 SARS-CoV-2 단백질의 실시간 다중화 검출을 제공할 수 있는가?
• RQ2 이 플랫폼을 사용한 S 및 N 단백질의 달성 가능한 검출 한계 및 동적 범위는 무엇인가?
• RQ3 병렬 판독을 위한 자동화 마이크로유체 통합과 van der Waals 조립 카본 나노막 기능화가 호환되는가?

주요 결과

• 자동화된 플랫폼 내에서 15개의 GFET를 실시간, 병렬로 모니터링함.
• 현장 생체기능화를 통한 SARS-CoV-2 S 및 N 단백질의 특정 검출을 가능하게 하는 항체 기반의 기능화.
• 목표 단백질에 대해 10 aM까지의 검출 한계를 달성.
• 네 자릿수에 걸친 동적 범위를 보임.