Att upptäcka livskraftiga bakterier är viktigt för olika områden, från livsmedelssäkerhet till medicinsk diagnos. De befintliga teknikerna för att utföra testning av antibiotikakänslighet (AST) – tester som, till exempel, tillåter vårdgivare att ordinera rätt dos antibiotika för en viss infektion – är långsamma, kräver kunnig personal eller använder skrymmande och dyra instrument. En ny elektrokemisk sensor utvecklad av Penn State-forskare kan nu göra den processen enklare, samtidigt som den är billig och bärbar, och kan direkt övervaka livsdugliga bakterier i flytande prover som blod eller mjölk.

"Blod är en mycket komplex lösning, sa Aida Ebrahimi, biträdande professor i elektroteknik vid Penn State School of Electrical Engineering and Computer Science. "Den har olika komponenter, inklusive röda blodkroppar och många proteiner, som gör detektion av specifika mål, såsom levande bakterieceller, mycket svårt. Den är också optiskt ogenomskinlig, vilket gör det utmanande för optiska metoder att direkt analysera blod."

I kontrast, elektrokemiska sensorer begränsas inte av provets opacitet. Dock, de befintliga elektrokemiska metoderna för att mäta bakteriell livsduglighet kräver att ett redoxaktivt reagens blandas med provet. Det redoxaktiva reagenset utbyter elektroner med metaboliserande celler. Dock, ett problem är att detta reagens kan störa antibiotikan. Dessutom, tillsatsen av dessa reagenser begränsar användningen av sensorerna för att detektera levande bakterier, till exempel vid matscreening. Den nya metoden som utvecklats av Ebrahimi-gruppen kräver ingen ytterligare agent.

"Vi utvecklade en redoxaktiv kristall, kallas RZx, med en enkel elektrolytisk utfällningsmetod som endast använder organiska komponenter, " Ebrahimi sa. "Processen för att skapa materialet är mycket låg kostnad och görs vid rumstemperatur och neutralt pH - inte surt eller alkaliskt - vilket gör det mycket säkert och miljövänligt. Den organiska kristallen möjliggör direkt detektering av bakteriell metabolisk aktivitet genom att känna av pH-förändringar på grund av cellandning samt detektera små molekyler som frigörs genom metaboliserande – levande – celler."

Forskarna visade också mångsidigheten i sensortillverkningsprocessen genom att deponera RZx på en mängd olika elektroder, från screentryckta kolelektroder på papper till laserinducerade grafenelektroder skapade med en CO ₂ laserskrivsystem. Denna förmåga att designa och tillverka godtyckliga geometrier är viktig för skalbar produktion och enhetsteknik.

Medan Ebrahimis team nyligen har gjort andra utvecklingar för snabb AST, de RZx-baserade sensorerna är bärbara. Också, i sin tidigare forskning, de tittade på bakteriers rörelse, medan här, de undersöker cellernas metaboliska aktivitet. Detta är fördelaktigt eftersom bakterier ibland inte rör sig medan de fortfarande metaboliserar, eller "andning".

Ebrahimi noterade också att denna metod inte bara kunde användas vid medicinsk diagnos utan också för att testa livsmedelskvalitet. Förutom att testa blod, forskarna testade mjölkprover, eftersom testning av levande bakterier är viktigt vid livsmedelssäkerhet och kvalitetskontroller. Samma princip kan även tillämpas för att testa vatten för miljösäkerhet och övervakning.

Utöver dessa verk, Ebrahimi tittar också på framtida tillämpningar för denna metod.

"För framtiden, vi undersöker att utöka arbetet med att analysera andra mikrobiella patogener, som svampar, såväl som applikationer utöver AST, speciellt för smarta sårförband eller smarta katetrar, eftersom bakterieinfektioner i båda dessa områden är stora problem, " Hon sa.

Uppsatsen som diskuterar dessa resultat, "Organiska redoxaktiva kristallina skikt för reagensfri elektrokemisk antibiotikakänslighetstestning (ORACLE-AST), " publicerades nyligen i tidskriften Biosensorer och bioelektronik .