Sensormaterialet kan placeras på alla typer av underlag, från dörrhandtag och byggnadsingångar till masker och textilier. Kredit:Kam Sang Kwok och Aishwarya Pantula/Johns Hopkins University
En covid-19-sensor utvecklad vid Johns Hopkins University kan revolutionera virustestning genom att lägga till noggrannhet och snabbhet till en process som frustrerade många under pandemin.
I en ny studie publicerad idag i Nano Letters , beskriver forskarna den nya sensorn, som inte kräver några provförberedelser och minimal operatörsexpertis, vilket ger en stark fördel jämfört med befintliga testmetoder, särskilt för testning i hela befolkningen.
"Tekniken är så enkel som att lägga en droppe saliv på vår enhet och få ett negativt eller positivt resultat", säger Ishan Barman, docent i maskinteknik, som tillsammans med David Gracias, professor i kemisk och biomolekylär teknik, är seniorförfattare till studien. "Den viktigaste nyheten är att detta är en etikettfri teknik, vilket innebär att inga ytterligare kemiska modifieringar som molekylär märkning eller antikroppsfunktionalisering krävs. Detta innebär att sensorn så småningom kan användas i bärbara enheter."
Barman säger att den nya tekniken, som ännu inte är tillgänglig på marknaden, tar itu med begränsningarna hos de två mest använda typerna av covid-19-tester:PCR och snabbtester.
PCR-tester är mycket exakta, men kräver komplicerad provberedning, med resultat som tar timmar eller till och med dagar att bearbeta i ett laboratorium. Å andra sidan är snabbtester, som letar efter förekomsten av antigener, mindre framgångsrika när det gäller att upptäcka tidiga infektioner och asymtomatiska fall och kan leda till felaktiga resultat.
Sensorn är nästan lika känslig som ett PCR-test och lika bekväm som ett snabbt antigentest. Under den första testningen visade sensorn 92 % noggrannhet vid detektering av SARS-COV-2 i salivprover – jämförbart med PCR-tester. Sensorn var också mycket framgångsrik för att snabbt fastställa förekomsten av andra virus, inklusive H1N1 och Zika.
Sensorn är baserad på nanoimprintlitografi med stor yta, ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS) och maskininlärning. Den kan användas för masstestning i engångschipsformat eller på styva eller flexibla ytor.
Nyckeln till metoden är den stora, flexibla fältförstärkande metallisolatorantenn (FEMIA) som utvecklats av Gracias lab. Salivprovet placeras på materialet och analyseras med ytförstärkt Raman-spektroskopi, som använder laserljus för att undersöka hur molekylerna i det undersökta provet vibrerar. Eftersom den nanostrukturerade FEMIA stärker virusets Raman-signal avsevärt kan systemet snabbt upptäcka närvaron av ett virus, även om det bara finns små spår i provet. Another major innovation of the system is the use of advanced machine learning algorithms to detect very subtle signatures in the spectroscopic data that allow researchers to pinpoint the presence and concentration of the virus.
Ishan Barman, left, and David Gracias observe the spectral signature measured by the Raman microscope, foreground, and uncovered by the machine learning algorithm. Credit:Will Kirk/Johns Hopkins University
"Label-free optical detection, combined with machine learning, allows us to have a single platform that can test for a wide range of viruses with enhanced sensitivity and selectivity, with a very fast turnaround," said lead author Debadrita Paria, who worked on the research as a post-doctoral fellow of Mechanical Engineering.
The sensor material can be placed on any type of surface, from doorknobs and building entrances to masks and textiles.
"Using state of the art nanoimprint fabrication and transfer printing we have realized highly precise, tunable, and scalable nanomanufacturing of both rigid and flexible COVID sensor substrates, which is important for future implementation not just on chip-based biosensors but also wearables," said Gracias.
He says the sensor could potentially be integrated with a hand-held testing device for fast screenings at crowded places like airports or stadiums.
"Our platform goes beyond the current COVID-19 pandemic," said Barman. "Vi kan använda detta för breda tester mot olika virus, till exempel för att skilja mellan SARS-CoV-2 och H1N1, och till och med varianter. Det här är ett stort problem som inte lätt kan lösas med nuvarande snabbtester."
The team continues working to further develop and test the technology with patient samples. Johns Hopkins Technology Ventures has applied for patents on the intellectual property associated it and the team is pursuing license and commercialization opportunities.
Authors include:Kam Sang (Mark) Kwok, a graduate student in Chemical and Biomolecular Engineering; Piyush Raj, a graduate student; and Peng Zheng, a post-doctoral fellow in Mechanical Engineering. + Utforska vidare
