Новый датчик на основе графена может ускорить обнаружение COVID-19, помогая ограничить эту глобальную пандемию.

Кризис COVID-19 изменил наше представление о болезнях и вирусах и подходах, которые мы используем для борьбы с ними. Для борьбы с этой глобальной пандемией требуется несколько стратегий, и, хотя многие исследователи сосредоточены на производстве вакцин, другие разрабатывают улучшенные методы тестирования для отслеживания, контроля и сдерживания распространения COVID-19.

В этой последней битве участвует исследовательская группа Дипанджана Пана, доцента кафедры биоинженерии, материаловедения и инженерии Института устойчивого развития энергетики и окружающей среды Университета Иллинойса. Пан и его команда, в том числе аспирант по биоинженерии Маха Алафиф, разработали быстрый сверхчувствительный тест, который может обнаружить присутствие вируса менее чем за пять минут.

Тест основан на электрохимическом датчике на основе графена. который использует замечательные свойства этих тонких слоев углерода.

В настоящее время мы переживаем событие, которое меняет жизнь раз в столетие. Мы отвечаем на эту глобальную потребность, используя целостный подход, разрабатывая междисциплинарные инструменты для раннего выявления, диагностики и лечения SARS-CoV-2.

Маха Алафиф, аспирант по биоинженерии, Иллинойсский университет

Их исследования опубликованы в последнем выпуске журнала ACS Nano¹.

Более быстрый тест на COVID-19 на основе графена

Конечно, на рынке уже есть тесты на COVID-19, и многие из нас к настоящему времени их уже провели. Но датчик команды имеет очень явное преимущество, он намного быстрее.

Текущие тесты на COVID-19, как правило, относятся к одной из двух широких категорий. Первый тип идентифицирует РНК COVID-19 с помощью полимеразной цепной реакции с обратной транскриптазой в реальном времени (ОТ-ПЦР) и гибридизации нуклеиновых кислот, тогда как альтернативный метод выявляет антитела. Оба этих типа тестов имеют серьезный недостаток; Для получения результатов требуется время – последний тест иногда занимает до нескольких недель.

Команда Пэна применила эту платформу на основе графена для создания биосенсора, специально предназначенного для обнаружения COVID-19. Их устройство удивительно простое и состоит из двух основных компонентов, сделанных из золота и графена, оба из которых обеспечивают высокую чувствительность благодаря проводимости обоих материалов.

Благодаря своим уникальным механическим и электрохимическим свойствам графен может быть ключом к дешевому в производстве биосенсору, а также обеспечивает быстрое обнаружение вирусов.

Сначала команда создает платформу из проводящей пленки, состоящую из слоя нанопластинок графена и обертывания его фильтровальной бумагой. Сверху помещен золотой электрод, который служит контактной площадкой для электрического считывания.

Сенсор проверяет N-ген (нуклеокапсидный фосфопротеин) вируса SARS-CoV-2, нацеливаясь на две области молекулы. Это делает его более надежным, чем текущие тесты РНК, которые также ищут этот ген, поскольку его двойное действие означает, что если одна область претерпела мутацию, она все еще может отточить другую.

В дополнение к этому вирус также можно обнаружить благодаря его РНК, которая может быть локализована с помощью золотых наночастиц сенсора (AuNP), закрытых одноцепочечными нуклеиновыми кислотами (оцДНК). Когда вирусная РНК встречает эти наночастицы, она гибридизуется и вызывает изменение электрического ответа сенсора. Перенос электронов ускоряется колпачками AuNP, и он «транслируется» через сенсорную платформу, усиливая выходной сигнал и указывая на присутствие вируса.

Конечный результат всего этого – быстрый и сверхчувствительный тест на COVID-19.

Создание лучшего устройства для тестирования вирусов

Чувствительное устройство было протестировано командой на положительных и отрицательных образцах, продемонстрировав значительное увеличение напряжения при наличии COVID-19. Обнаружение вирусного генетического материала произошло менее чем за 5 минут.

Тест также позволил различать различные вирусные нагрузки – количество вируса в крови инфицированного человека – что служит индикатором развития инфекции и очень помогает определить как тяжесть случая, так и требуемую вмешательство. Это умение, которым обладает сенсор команды, который другие доступные в настоящее время методы тестирования не могут хорошо воспроизвести.

Применение устройства невероятно разнообразно, и исследовательская группа предположила, что его можно интегрировать со светодиодными экранами или даже подключать к смартфонам через Bluetooth или WiFi. В сочетании с портативностью и относительно низкой производственной стоимостью это означает, что этот тест может быть широко использован в кабинетах врачей и больницах или даже дома.

И команда считает, что применение их сенсора выходит за рамки конца этого глобального кризиса, поскольку они считают, что его можно адаптировать для борьбы с другими заболеваниями и вирусами.

Неограниченный потенциал биоинженерии всегда вызывал у меня огромный интерес с ее инновационными приложениями для перевода. Я рад видеть, что мой исследовательский проект влияет на решение реальной проблемы.

Маха Алафиф, аспирант по биоинженерии, Иллинойсский университет

Ссылки

¹ Алафиф. М., Дигхе. К., Моитра. П., Пан. Д., [2020]«Быстрое, сверхчувствительное и количественное обнаружение SARS-CoV-2 с использованием антисмыслового олигонуклеотидно-направленного электрохимического биосенсорного чипа», ACS Nano, [https://doi.org/10.1021/acsnano.0c06392]

Отказ от ответственности: мнения, выраженные здесь, принадлежат автору, выраженному в их личном качестве, и не обязательно отражают точку зрения AZoM.com Limited T / A AZoNetwork, владельца и оператора этого веб-сайта. Этот отказ от ответственности является частью Условий использования этого веб-сайта.