Биосенсор на основе графена может обнаруживать бактерии, вызывающие рак желудка

Биосенсоры в настоящее время используются в здравоохранении для контроля уровня глюкозы в крови; однако они также обладают способностью обнаруживать бактерии. Ученые Университета Осаки создали новый биосенсор, использующий графен – материал, состоящий из слоя углерода толщиной в один атом, – для обнаружения бактерий, таких как вредные для слизистой оболочки желудка и связанные с раком желудка.

Это схематическая иллюстрация плана исследования и результатов. (Изображение предоставлено Университетом Осаки)

Когда бактерии взаимодействуют с биосенсором, активируются химические реакции, которые распознаются графеном. Чтобы поддержать обнаружение продуктов химической реакции, ученые использовали микрофлюидику, чтобы содержать бактерии в очень крошечных капельках вблизи поверхности сенсора.

Чтобы заставить бактерии прилипать, ученые покрыли графен антителами, обычным способом закрепления бактерий на биосенсорных поверхностях. Однако, хотя антитела очень мелкие (~ 10 нм) в атомном масштабе по сравнению с тонким слоем графена, они на самом деле довольно громоздкие и большие. В то время как бактерии взаимодействуют с антителами, графен не может воспринимать эти бактерии напрямую, поскольку антитела на его поверхности препятствуют сигналу; этот эффект блокировки сигнала известен как экранирование Дебая.

Чтобы преодолеть ограничение скрининга Дебая, ученые вместо этого планировали отслеживать химические реакции, проводимые бактериями при воздействии определенных химических веществ, которые они добавляли в мельчайшие капли воды. Химические вещества, образующиеся в реакциях, намного меньше, чем антитела, и могут без затруднений скользить между ними и достигать поверхности графена. Изучая только бактерии в мельчайших капельках, полученных с помощью микрофлюидики, бактерии и продукты их реакции могут храниться вблизи поверхности графена, а концентрация продуктов реакции может даже отслеживаться в течение длительных периодов.

Наш биосенсор обеспечивает высокочувствительное и количественное обнаружение бактерий, вызывающих язву желудка и рак желудка, путем ограничения его реакции в четко определенном микрообъеме.

Казухико Мацумото, соавтор исследования, Университет Осаки

Чувствительная к графену поверхность может передавать электрические сигналы, которые различаются в зависимости от того, сколько продукта реакции присутствует в микрокапле и как быстро она накапливается. Эти электрические сигналы могут быть использованы для расчета количества бактерий в капле. Графен выполнен в виде полевого транзистора (FET), роль которого заключается в радикальном увеличении сигналов электрического обнаружения с чувствительной поверхности графена.

«Наш биосенсор – это, по сути, мини-лаборатория на графеновом полевом транзисторе. Этот датчик демонстрирует, как двумерные материалы, такие как графен, становятся ближе к применению в практической медицине и здравоохранении», первый автор Такао Оно говорит.

Результаты исследования могут быть использованы для разработки целого множества этих биосенсоров «лаборатория на графене-FET» для обнаружения различных типов бактерий. Обнаружение минутных концентраций бактерий может быть осуществлено в течение 30 минут; следовательно, эта работа означает возможность более быстрой диагностики возможных вредных бактерий в ближайшие дни.

Source link