Schematisk illustration av studiens design och resultat Återtryckt med tillstånd från T. Ono et al., "Elektrisk biosensing med fysiologisk jonstyrka med grafenfälteffekttransistor i femtoliter mikrodroppe" Nano Lett. 19, 4004 (2019). Kredit:American Chemical Society
Biosensorer används för närvarande inom vården för att övervaka blodsocker; dock, de har också potential att upptäcka bakterier. Forskare vid Osaka University har uppfunnit en ny biosensor som använder grafen – ett material som består av ett enatoms tjockt lager av kol – för att upptäcka bakterier som de som angriper magslemhinnan och som har kopplats till magcancer. När bakterierna interagerar med biosensorn, kemiska reaktioner utlöses som upptäcks av grafenet. För att möjliggöra detektering av de kemiska reaktionsprodukterna, forskarna använde mikrofluidik för att hålla bakterierna i extremt små droppar nära sensorytan.
För att få bakterierna att fastna, forskarna täckte grafenen med antikroppar, ett vanligt sätt att förankra bakterier till biosensorytor. Dock, även om antikroppar är mycket små (~10 nm), på atomskala och jämfört med det atomtunna lagret av grafen, de är faktiskt ganska stora och skrymmande. Medan bakterierna interagerar med antikropparna, grafenet kan inte upptäcka dessa bakterier direkt eftersom antikropparna på dess yta blockerar signalen; denna signalblockerande effekt kallas Debye screening.
För att övervinna Debye-screeningsbegränsningen, forskarna bestämde sig istället för att övervaka kemiska reaktioner som utförs av bakterierna i närvaro av vissa kemikalier, som de lade till den lilla vattendroppen. Kemikalierna som produceras i reaktionerna är mycket mindre än antikropparna och kan lätt glida mellan dem och nå grafenytan. Genom att endast analysera bakterierna i små droppar som genereras genom mikrofluidik, bakterierna och deras reaktionsprodukter kan hållas nära grafenytan och koncentrationen av reaktionsprodukterna kan till och med övervakas över tid.
En mikroskopbild av lab-on-a-graphene-FET-enheten. Kredit:T. Ono et al., "Elektrisk biosensing med fysiologisk jonstyrka med grafenfälteffekttransistor i femtoliter mikrodroppe" Nano Lett. 19, 4004 (2019). Copyright 2019 American Chemical Society
"Vår biosensor möjliggör mycket känslig och kvantitativ detektering av bakterier som orsakar magsår och magcancer genom att begränsa dess reaktion i en väldefinierad mikrovolym, ", säger studiens medförfattare Kazuhiko Matsumoto.
Grafenavkänningsytan kan återkoppla elektriska signaler som varierar beroende på hur mycket av reaktionsprodukten som finns i mikrodroppen och hur snabbt den ackumuleras. Dessa elektriska signaler kan användas för att beräkna antalet bakterier i droppen. Grafenen är inställd i en fälteffekttransistor (FET) struktur, vars roll är att dramatiskt öka de elektriska detekteringssignalerna från grafenavkänningsytan.
Enhetens repeterbara elektriska svar på ureas fångat i en mikrodroppe Omtryckt med tillstånd från T. Ono et al., "Elektrisk biosensing med fysiologisk jonstyrka med grafenfälteffekttransistor i femtoliter mikrodroppe" Nano Lett. 19, 4004 (2019). Kredit:American Chemical Society
"Vår biosensor är i grunden ett minilaboratorium på en grafen-FET. Denna sensor visar hur tvådimensionella material som grafen närmar sig att användas i praktiska medicinska och hälsovårdstillämpningar, ", säger första författaren Takao Ono.
Resultaten av studien kan användas för att skapa en hel mängd av dessa lab-on-a-graphene-FET biosensorer för att upptäcka olika bakterier. Detekteringen av små koncentrationer av bakterier kunde uppnås på mindre än 30 minuter; därav, detta arbete representerar möjligheten till snabbare diagnoser för potentiellt skadliga bakterier i framtiden.
