近日，我院刘欢教授课题组关于量子点半导体传感器的最新研究结果发表在生物传感器领域重要期刊Biosensors & Bioelectronics（2021年影响因子10.618），题为“All-solid-state SARS-CoV-2 protein biosensor employing colloidal quantum dots-modified electrode”，我校为论文第一和通讯单位，刘欢教授为论文通讯作者（详见https://doi.org/10.1016/j.bios.2022.113974）。
当前，公共安全和生命健康领域对于新发传染病、癌症等重大疾病的快速、精准和自动化诊断技术有着迫切需求，刘欢教授带领课题组开展高灵敏度、高可靠性、低功耗电子鼻与电子舌芯片研究，旨在利用半导体传感技术实现人体呼出气、体液等样本中病毒和疾病标志物的发掘与检测，构建立体化、精细化诊断模型，为重大疾病的快检、早筛和智能预警提供新手段。
2020年3月，受我校“新型冠状病毒肺炎应急科技攻关专项”支持，刘欢教授课题组联合华中科技大学同济医学院附属协和医院和武汉大学病毒学国家重点实验室等单位，启动“新冠病毒携带者快速筛查用量子点传感器与检测技术”（项目批准号2020kfyXGYJ076）项目，提出采用胶体量子点构建病毒蛋白分子的半导体电学标记，将新冠病毒抗原与抗体之间的特异性结合反应“一步法”直接转换为电学信号进行读取与定量分析。
图1：新冠病毒蛋白检测用量子点传感器及其电学标记方法示意图
项目团队通过量子点蛋白电学标记关键技术与机理的探究，结合新冠病毒特异性抗原蛋白筛选，成功构建高信噪比、高特异性的新冠病毒抗体检测用量子点传感器和手持式样机，对新冠病毒IgG抗体检测下限达ng/mL，检测时间小于1分钟。基于血清样本的抗体检测准确率接近酶联免疫吸附剂测定（ELISA）方法，但无需复杂、耗时的样本制备，因此对人员、场地、设备要求都非常低，适用于大规模的现场快速检测。
通过标记对象的调控，项目团队研发的量子点传感器对新冠病毒抗原重组蛋白的检测下限达ng/mL级，验证了该传感器对新冠抗原检测的有效性，未来有望通过人体分泌液样本实现抗原检测，助力大规模人群现场排查。同时，随着疫苗接种普及，本研究工作有望推进血清检测中和抗体浓度值与疫苗保护效力相关性模型的建立，可为临床提供有明确价值的判断和结果，对于新冠疫苗效力评估、群体免疫程度评价等实际应用场景具有重要意义。
图2：（a）新冠肺炎患者/健康人血清样本检测曲线对比；（b）血清样本检测准确率分析；（c）传感器检测结果与ELISA方法检测结果的相关性；（d）对新冠病毒抗原重组蛋白的检测曲线与（e）结果分析；（f）手持式检测样机
在国家自然科学基金优秀青年科学基金、华中科技大学“学术前沿青年团队支持计划”、武汉光电国家研究中心创新研究项目的资助支持下，刘欢教授课题组进一步发展了量子点生物分子电学标记技术。与华中科技大学同济医学院附属协和医院有关科室紧密合作，设计制备了针对鼻炎、膀胱癌等疾病标志物快速检测的量子点半导体传感器，相关工作论文先后发表于Chinese Journal of Analytical Chemistry（详见https://doi.org/10.1016/j.cjac.2021.11.007）、功能材料与器件学报（详见https://gncq.cbpt.cnki.net/WKD2/WebPublication/index.aspx?mid=gncq）。
与此同时，课题组积极推进人才培养工作，2021以来相关研究结果获得湖北省第十三届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖、2021中国传感器创新创业大赛二等奖（华中赛区一等奖）、中国大学生机械工程创新创意大赛“明石杯”第二届微纳传感技术与智能应用赛二等奖等多项科技赛事奖项，受到国内学术同行关注和好评。
