Application of Biosensors in the Detection of SARS-CoV-2
Received date: 2022-12-03
Online published: 2023-02-16
Supported by
National Key Research & Development Program of China(2019YFA0904104)
Since the outbreak of COVID-19, it is becoming important to screen SARS-CoV-2 with high accuracy, high efficiency, and rapidness, for epidemic prevention and control. Conventional detection technologies can not satisfy the requirements of examining massive people in a very short time. Biosensor technology, with the advantages of high sensitivity, good selectivity, low cost, easy miniaturization, and short detection time, is being used to develop real-time detection equipment, thus as a potential alternative for real-time detection of SARS-CoV-2 in clinical diagnosis. In the present study, the authors summarized the construction methods and principles for optical biosensors, electrochemical biosensors, wearable biosensors, magnetic biosensors, gold nanoparticle biosensors, and aptamer biosensors, followed by the introduction of the current application of multiple biosensors in SARS-CoV-2 detection. Conclusively, the technical bottlenecks and future development trends of biosensors in SARS-CoV-2 detection are proposed.
Key words： SARS-CoV-2; biosensor; detection
Ziyu Zhu , Axin Liang , Ruilin Haotian , Shanshan Tang , Miao Liu , Bingteng Xie , Aiqin Luo . Application of Biosensors in the Detection of SARS-CoV-2[J]. Acta Chimica Sinica, 2023 , 81(3) : 253 -263 . DOI: 10.6023/A22120483
| [1] | Huang C. L.; Wang Y. M.; Li X. W.; Ren L. L.; Zhao J. P.; Hu Y.; Zhang Y.; Fan G. H.; Xu J. Y.; Gu X. Y.; Cheng Z. S.; Yu T.; Xia J. A.; Wei Y.; Wu W. J.; Xie X. L.; Yin W.; Li H.; Liu M.; Xiao Y.; Gao H.; Guo L.; Xie J. G.; Wang G. F.; Jiang R. M.; Gao Z. C.; Jin Q.; Wang J. W.; Cao B. Lancet 2020, 395, 497. |
| [2] | Lee C. Y.; Degani I.; Cheong J.; Lee J.-H.; Choi H.-J.; Cheon J.; Lee H. Biosens. Bioelectron. 2021, 178, 113049. |
| [3] | Li Q.; Guan X. H.; Wu P.; Wang X. Y.; Zhou L.; Tong Y. Q.; Ren R. Q.; Leung K.; Lau E. H. Y.; Wong J. Y.; Xing X. S.; Xiang N. J. New Eng. J. Med. 2020, 382, 1199. |
| [4] | Wang Y. X.; Zhang Y.; Chen J. B.; Wang M. J.; Zhang T.; Luo W. X.; Li Y. L.; Wu Y. P.; Zeng B.; Zhang K. X.; Deng R. J.; Li W. M. Anal. Chem. 2021, 93, 3393. |
| [5] | Oran D. P.; Topol E. J. Ann. Int. Med. 2020, 173, 362. |
| [6] | Wang C.; Gao Z. D.; Shen K.; Cao J.; Shen Z. L.; Jiang K. W.; Wang S.; Ye Y. J. J. Surg. Oncol. 2020, 46, 667. |
| [7] | Yadav P. D.; Sapkal G. N.; Ella R.; Sahay R. R.; Nyayanit D. A.; Patil D. Y.; Deshpande G.; Shete A. M.; Gupta N.; Mohan V. K. J. Travel Med. 2021, 28, taab104. |
| [8] | Connor B. A.; Couto-Rodriguez M.; Barrows J. E.; Gardner M.; Rogova M.; O'Hara N. B.; Nagy-Szakal D. Int. J. Infect. Dis. 2021, 110, 232. |
| [9] | Pal M.; Berhanu G.; Desalegn C.; Kandi V. Cureus 2020, 12, e7423. |
| [10] | Docea A. O.; Tsatsakis A.; Albulescu D.; Cristea O.; Zlatian O.; Vinceti M.; Moschos S. A.; Tsoukalas D.; Goumenou M.; Drakoulis N. Int. J. Mol. Med. 2020, 45, 1631. |
| [11] | Azzi L.; Carcano G.; Gianfagna F.; Grossi P.; Dalla Gasperina D.; Genoni A.; Fasano M.; Sessa F.; Tettamanti L.; Carinci F. J. Infect. 2020, 81, e45. |
| [12] | Sea-Liang N.; Sereemaspun A.; Patarakul K.; Gaywee J.; Rodkvamtook W.; Srisawat N.; Wacharaplusadee S.; Hemachudha T. PLoS Negl.Trop. Dis. 2019, 13, e0007440. |
| [13] | Lucas E. J.; Leber A.; Ardura M. I. Pediatr. Infect. Dis. J. 2019, 38, 786. |
| [14] | Kim H.; Park M.; Hwang J.; Kim J. H.; Chung D.-R.; Lee K.-s.; Kang M. ACS Sens. 2019, 4, 1306. |
| [15] | Xu Y.; Xiao M.; Liu X.; Xu S.; Du T.; Xu J.; Yang Q.; Xu Y.; Han Y.; Li T. Emerg. Microb. Infect. 2020, 9, 924. |
| [16] | Sun F.; Ganguli A.; Nguyen J.; Brisbin R.; Shanmugam K.; Hirschberg D. L.; Wheeler M. B.; Bashir R.; Nash D. M.; Cunningham B. T. Lab Chip 2020, 20, 1621. |
| [17] | Palmieri V.; Papi M. Nano Today 2020, 33, 100883. |
| [18] | Maghdid H. S.; Ghafoor K. Z.; Sadiq A. S.; Curran K.; Rabie K. arXiv preprint arXiv:2003.07434. 2003. |
| [19] | Mahmoudi M. Mol. Pharm. 2020, 18, 476. |
| [20] | Xu L.; Li D.; Ramadan S.; Li Y.; Klein N. Biosens. Bioelectron. 2020, 170, 112673. |
| [21] | Fathi-Hafshejani P.; Azam N.; Wang L.; Kuroda M. A.; Hamilton M. C.; Hasim S.; Mahjouri-Samani M. ACS Nano 2021, 15, 11461. |
| [22] | Kaur H.; Shorie M. Nanoscale Adv. 2019, 1, 2123. |
| [23] | Dincer C.; Bruch R.; Costa‐Rama E.; Fernández‐Abedul M. T.; Merko?i A.; Manz A.; Urban G. A.; Güder F. Adv. Mater. 2019, 31, 1806739. |
| [24] | Rezaei Z.; Mahmoudifard M. J. Mater. Chem. B 2019, 7, 4602. |
| [25] | Zhang X.; Yang S.; Jiang R.; Sun L.; Pang S.; Luo A. Sens. Actuator B-Chem. 2018, 254, 1078. |
| [26] | Feng D.; Huang P.; Miao Y.; Liang A.; Wang X.; Tang B.; Hou H.; Ren M.; Gao S.; Geng L.; Luo A. Sens. Actuator B-Chem. 2022, 368, 132121. |
| [27] | Liang A.; Tang S.; Liu M.; Yi Y.; Xie B.; Hou H.; Luo A. Bioelectrochemistry 2022, 146, 108154. |
| [28] | Luo A.; Cai Y.; Liu M.; Tang S.; Zhu Z.; Haotian R.; Xie B.; Yi Y.; Hao Z.; Liang A. J. Electrochem. Soc. 2022, 169, 117504. |
| [29] | Liu M.; Pan B.; Tang S.; Wang W.; Hou H.; Xie B.; Liang A.; Luo A. J. Electrochem. Soc. 2022, 169, 087503. |
| [30] | Ai T.; Yang Z.; Hou H.; Zhan C.; Chen C.; Lv W.; Tao Q.; Sun Z.; Xia L. Radiology 2020, 26, 200642. |
| [31] | Fang Y.; Zhang H.; Xie J.; Lin M.; Ying L.; Pang P.; Ji W. Radiology 2020, 19, 200432. |
| [32] | Pan Y.; Li X.; Yang G.; Fan J.; Tang Y.; Zhao J.; Long X.; Guo S.; Zhao Z.; Liu Y. J. Infect. 2020, 81, e28. |
| [33] | Yu L.; Wu S.; Hao X.; Dong X.; Mao L.; Pelechano V.; Chen W. H.; Yin X. Clin. Chem. 2020, 66, 975. |
| [34] | Xiang J.; Yan M.; Li H.; Liu T.; Lin C.; Huang S.; Shen C. MedRxiv 2020, 1. |
| [35] | Liu J.; Chen X.; Wang Q.; Xiao M.; Zhong D.; Sun W.; Zhang G.; Zhang Z. Nano Lett. 2019, 19, 1437. |
| [36] | Kumar N.; Shetti N. P.; Jagannath S.; Aminabhavi T. M. Chem. Eng. J. 2022, 430, 132966. |
| [37] | Asif M.; Aziz A.; Wang H.; Wang Z.; Wang W.; Ajmal M.; Xiao F.; Chen X.; Liu H. Microchim. Acta 2019, 186, 61. |
| [38] | Giannetti A.; Bocková M. Chemosensors 2020, 8, 33. |
| [39] | Ji T.; Liu Z.; Wang G.; Guo X.; Lai C.; Chen H.; Huang S.; Xia S.; Chen B.; Jia H. Biosens. Bioelectron. 2020, 166, 112455. |
| [40] | Mahapatra S.; Chandra P. Biosens. Bioelectron. 2020, 165, 112361. |
| [41] | Palestino G.; García-Silva I.; González-Ortega O.; Rosales-Mendoza S. Expert Rev. Anti Infect. Ther. 2020, 18, 849. |
| [42] | Wen T.; Huang C.; Shi F. J.; Zeng X. Y.; Lu T.; Ding S. N.; Jiao Y. J. Analyst 2020, 145, 5345. |
| [43] | Thapa D.; Samadi N.; Tabatabaei N. IEEE Sens. J. 2021, 21, 18504. |
| [44] | Li Z.; Yi Y.; Luo X.; Xiong N.; Liu Y.; Li S.; Sun R.; Wang Y.; Hu B.; Chen W. J. Med. Virol. 2020, 92, 1518. |
| [45] | ?oczechin A.; Séron K.; Barras A.; Giovanelli E.; Belouzard S.; Chen Y.-T.; Metzler-Nolte N.; Boukherroub R.; Dubuisson J.; Szunerits S. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 42964. |
| [46] | Manivannan S.; Ponnuchamy K. Appl. Organomet. Chem. 2020, 34, e5887. |
| [47] | Huang J. C.; Chang Y. F.; Chen K. H.; Su L. C.; Lee C. W.; Chen C. C.; Chen Y. M. A.; Chou C. Biosens. Bioelectron. 2009, 25, 320. |
| [48] | Lin Q.; Wen D.; Wu J.; Liu L.; Wu W.; Fang X.; Kong J. Anal. Chem. 2020, 92, 9454. |
| [49] | Wu K.; Saha R.; Su D.; Krishna V. D.; Liu J.; Cheeran M. C. J.; Wang J. P. arXiv preprint arXiv:2007. 04809 2020. |
| [50] | Asad M.; Zulfiqar A.; Raza R.; Yang M.; Hayat A.; Akhtar N. Electroanalysis 2020, 32, 11. |
| [51] | Gowri A.; Kumar N. A.; Anand B. S. S. TrAC, Trends Anal. Chem. 2021, 137, 116205. |
| [52] | Krejcova L.; Hynek D.; Adam V.; Hubalek J.; Kizek R. Int. J. Electrochem. Sci. 2012, 7, 10779. |
| [53] | Dzi?bowska K.; Czaczyk E.; Nidzworski D. Biosensors 2018, 8, 94. |
| [54] | Xie M.; Zhao F.; Zhang Y.; Xiong Y.; Han S. Food Control 2022, 131, 108399. |
| [55] | Sedki M.; Shen Y.; Mulchandani A. Biosens. Bioelectron. 2021, 176, 112941. |
| [56] | Zhang Y.; Feng D.; Xu Y.; Yin Z.; Dou W.; Habiba U. E.; Pan C.; Zhang Z.; Mou H.; Deng H. Appl. Surf. Sci. 2021, 548, 149169. |
| [57] | Novodchuk I.; Bajcsy M.; Yavuz M. Carbon 2021, 172, 431. |
| [58] | Song P.; Fu H.; Wang Y.; Chen C.; Ou P.; Rashid R. T.; Duan S.; Song J.; Mi Z.; Liu X. Biosens. Bioelectron. 2021, 190, 113264. |
| [59] | Seo G.; Lee G.; Kim M. J.; Baek S. H.; Choi M.; Ku K. B.; Lee C. S.; Jun S.; Park D.; Kim H. G. ACS Nano 2020, 14, 5135. |
| [60] | Kim H. E.; Schuck A.; Lee S. H.; Lee Y.; Kang M.; Kim Y.-S. Biosens. Bioelectron. 2021, 182, 113168. |
| [61] | Tripathy S.; Singh S. G. Trans. Indian Natl. Acad. Eng. 2020, 5, 205. |
| [62] | Mahari S.; Roberts A.; Shahdeo D.; Gandhi S. BioRxiv 2020, 4, 059204. |
| [63] | Chu D. K. W.; Pan Y.; Cheng S. M. S.; Hui K. P. Y.; Krishnan P.; Liu Y.; Ng D. Y. M.; Wan C. K. C.; Yang P.; Wang Q. Clin. Chem. 2020, 66, 549. |
| [64] | Corman V. M.; Landt O.; Kaiser M.; Molenkamp R.; Meijer A.; Chu D. K. W.; Bleicker T.; Brünink S.; Schneider J.; Schmidt M. L. Euro. Surveill. 2020, 25, 2000045. |
| [65] | Won J.; Lee S.; Park M.; Kim T. Y.; Park M. G.; Choi B. Y.; Kim D.; Chang H.; Kim V. N.; Lee C. J. Exp. Neurobiol. 2020, 29, 107. |
| [66] | Wu A.; Peng Y.; Huang B.; Ding X.; Wang X.; Niu P.; Meng J.; Zhu Z.; Zhang Z.; Wang J. Cell Host Microbe 2020, 27, 325. |
| [67] | Nieto-Torres J. L.; DeDiego M. L.; Verdiá-Báguena C.; Jimenez-Guarde?o J. M.; Regla-Nava J. A.; Fernandez-Delgado R.; Casta?o-Rodriguez C.; Alcaraz A.; Torres J.; Aguilella V. M. PLoS Pathog. 2014, 10, e1004077. |
| [68] | Zhou P.; Yang X. L.; Wang X. G.; Hu B.; Zhang L.; Zhang W.; Si H. R.; Zhu Y.; Li B.; Huang C. L. Nature 2020, 579, 270. |
| [69] | Jiang H.; Li Y.; Zhang H.; Wang W.; Men D.; Yang X.; Qi H.; Zhou J.; Tao S. MedRxiv 2020, doi: 10.1101/2020.03.20.20039495. |
| [70] | To K. K. W.; Yip C. C. Y.; Lai C. Y. W.; Wong C. K. H.; Ho D. T. Y.; Pang P. K. P.; Ng A. C. K.; Leung K. H.; Poon R. W. S.; Chan K. H. Clin. Microbiol. Infect. 2019, 25, 372. |
| [71] | Zhang W.; Du R. H.; Li B.; Zheng X. S.; Yang X. L.; Hu B.; Wang Y. Y.; Xiao G. F.; Yan B.; Shi Z. L. EMI 2020, 9, 386. |
| [72] | Peng M.; Yang J.; Shi Q.; Ying L.; Zhu H.; Zhu G.; Ding X.; He Z.; Qin J.; Wang J. SSRN 2020, doi: 10.2139/ssrn.3541119. |
| [73] | Crean C.; Mcgeouge C.; O’kennedy R.In Biosensors for Medical Applications, Woodhead Publishing Series in Biomaterials, Woodhead Publishing, Sawston, Cambridge, 2012, pp. 301-330. |
| [74] | Zeng X.; Peng R.; Fan Z.; Lin Y. Mater. Today Energy 2022, 23, 100900. |
| [75] | Yang M.; Wang H.; Liu P.; Cheng J. Biosens. Bioelectron. 2021, 179, 113082. |
| [76] | Tu J.; Torrente‐Rodríguez R. M.; Wang M.; Gao W. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1906713. |
| [77] | Mujawar M. A.; Gohel H.; Bhardwaj S. K.; Srinivasan S.; Hickman N.; Kaushik A. Mater. Today Chem. 2020, 17, 100306. |
| [78] | Sharma A.; Badea M.; Tiwari S.; Marty J. L. Molecules 2021, 26, 748. |
| [79] | Stojanovi? R.; ?kraba A.; Djurkovi? J.; Lutovac B.In 2022 11th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO), IEEE, New York, 2022, pp. 1-5. |
| [80] | Tavakoli M.; Carriere J.; Torabi A. Adv. Intell. Syst. 2020, 2, 2000071. |
| [81] | Karpova E. V.; Karyakin A. A. Curr. Opin. Electrochem. 2020, 23, 16. |
| [82] | Seshadri D. R.; Davies E. V.; Harlow E. R.; Hsu J. J.; Knighton S. C.; Walker T. A.; Voos J. E.; Drummond C. K. Front. Digit. Health 2020, 2, 8. |
| [83] | Atangana E.; Atangana A. Results Phys. 2020, 19, 103425. |
| [84] | Xie J.; Zhu Y. Sci. Total Environ. 2020, 724, 138201. |
| [85] | Schünemann H. J.; Akl E. A.; Chou R.; Chu D. K.; Loeb M.; Lotfi T.; Mustafa R. A.; Neumann I.; Saxinger L.; Sultan S. Lancet Respir. Med. 2020, 8, 954. |
| [86] | Jeong H.; Rogers J. A.; Xu S. Sci. Adv. 2020, 6, eabd4794. |
| [87] | Deng W.; Sun Y.; Yao X.; Subramanian K.; Ling C.; Wang H.; Chopra S. S.; Xu B. B.; Wang J. X.; Chen J. F. Adv. Sci. 2022, 9, 2102189. |
| [88] | Liu X.; Zhang S. Influenza Other Respir. Viruses 2020, 14, 472. |
| [89] | Rabiee N.; Bagherzadeh M.; Ghasemi A.; Zare H.; Ahmadi S.; Fatahi Y.; Dinarvand R.; Rabiee M.; Ramakrishna S.; Shokouhimehr M. Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 5126. |
| [90] | Wang Y.; Hu Y.; He Q.; Yan J.; Xiong H.; Wen N.; Cai S.; Peng D.; Liu Y.; Liu Z. Biosens. Bioelectron. 2020, 169, 112604. |
| [91] | Islam M. A.; Ahsan M. Z. Am. J. Nanosci 2020, 6, 6. |
| [92] | Tian B.; Fock J.; Minero G. A. S.; Hansen M. F. Biosens. Bioelectron. 2020, 160, 112219. |
| [93] | Tian B.; Gao F.; Fock J.; Dufva M.; Hansen M. F. Biosens. Bioelectron. 2020, 165, 112356. |
| [94] | Zhao Z.; Cui H.; Song W.; Ru X.; Zhou W.; Yu X. BioRxiv 2020, doi: 10.1101/2020.02.22.961268. |
| [95] | Wang J.; Drelich A. J.; Hopkins C. M.; Mecozzi S.; Li L.; Kwon G.; Hong S. Wiley Interdiscip. Rev. Nanomed. Nanobiotechnol. 2022, 14, e1754. |
| [96] | Qiu G.; Gai Z.; Tao Y.; Schmitt J.; Kullak-Ublick G. A.; Wang J. ACS Nano 2020, 14, 5268. |
| [97] | Moitra P.; Alafeef M.; Dighe K.; Frieman M. B.; Pan D. ACS Nano 2020, 14, 7617. |
| [98] | Zhao Y.; Chen J.; Hu Z.; Chen Y.; Tao Y.; Wang L.; Li L.; Wang P.; Li H. Y.; Zhang J.; Tang J.; Liu H. Biosens. Bioelectron. 2022, 202, 113974. |
| [99] | Zhao J.; Fu Z.; Li H.; Xiong Y.; Cai S.; Wang C.; Chen Y.; Han N.; Yang R. Electrochim. Acta 2022, 404, 139766. |
| [100] | Vadlamani B. S.; Uppal T.; Verma S. C.; Misra M. Sensors 2020, 20, 5871. |
| [101] | Chinnappan R.; Rahamn A. A.; AlZabn R.; Kamath S.; Lopata A. L.; Abu-Salah K. M.; Zourob M. Food Chem. 2020, 314, 126133. |
| [102] | Song Y.; Song J.; Wei X.; Huang M.; Sun M.; Zhu L.; Lin B.; Shen H.; Zhu Z.; Yang C. Anal. Chem. 2020, 92, 9895. |
| [103] | Tian J.; Liang Z.; Hu O.; He Q.; Sun D.; Chen Z. Electrochim. Acta 2021, 387, 138553. |
| [104] | Abrego-Martinez J. C.; Jafari M.; Chergui S.; Pavel C.; Che D.; Siaj M. Biosens. Bioelectron. 2022, 195, 113595. |
| [105] | Alafeef M.; Dighe K.; Moitra P.; Pan D. ACS Nano 2020, 14, 17028. |
| [106] | Lorenzen A. L.; Dos Santos A. M.; Dos Santos L. P.; da Silva Pinto L.; Concei??o F. R.; Wolfart F. Electrochim. Acta 2022, 404, 139757. |
| [107] | Godakhindi V. S.; Kang P.; Serre M.; Revuru N. A.; Zou J. M.; Roner M. R.; Levitz R.; Kahn J. S.; Randrianalisoa J.; Qin Z. ACS Sensors 2017, 2, 1627. |
| [108] | Li Y.; Lin C.; Peng Y.; He J.; Yang Y. Sens. Actuators B: Chem. 2022, 365, 131974. |
| [109] | Huang L.; Ding L.; Zhou J.; Chen S.; Chen F.; Zhao C.; Xu J.; Hu W.; Ji J.; Xu H.; Liu G. L. Biosens. Bioelectron. 2021, 171, 112685. |
| [110] | ElDin N. B.; Abd El-Rahman M. K.; Zaazaa H. E.; Moustafa A. A.; Hassan S. A. Biosens. Bioelectron. 2021, 190, 113439. |
| [111] | Wang L.; Wang X.; Wu Y.; Guo M.; Gu C.; Dai C.; Kong D.; Wang Y.; Zhang C.; Qu D.; Fan C.; Xie Y.; Zhu Z.; Liu Y.; Wei D. Nat. Biomed. Eng. 2022, 6, 276. |
| [112] | Chu Y.; Qiu J.; Wang Y.; Wang M.; Zhang Y.; Han L. Chem.- Eur. J. 2022, 28, e202104054. |
/
| 〈 |
|
〉 |
