De unika egenskaperna hos det atomtjocka arket av kol, känd som grafen, möjliggjorde en ny multiplexerad biosensor som är den första att upptäcka opioidbiprodukter i avloppsvatten, ett team av forskare från Boston College, Boston University och Giner Labs-rapport i den senaste onlineupplagan av tidskriften ACS Nano .

Den nya enheten är den första som använder grafenbaserade fälteffekttransistorer för att detektera fyra olika syntetiska och naturliga opioider samtidigt, samtidigt som de skyddar dem från avloppsvattnets hårda element. När en specifik opioidmetabolit fäster på en molekylär sond på grafenet ändrar den den elektriska laddningen på grafenet. Dessa signaler läses enkelt elektroniskt för varje sond som är ansluten till enheten.

"Denna nya sensor vi har utvecklat kan snabbt, billigt och enkelt mäta opioider i avloppsvatten", säger professorn i fysik i Boston College Kenneth Burch, en huvudförfattare till rapporten. "Dess känslighet och portabilitet skulle möjliggöra avloppsvattenbaserad epidemiologi i lokal skala – så specifik som block-för-block eller studentrum-för-dorm-samtidigt som integritet säkerställs."

Enheten svarar på en primär utmaning av opioidepidemin:att bestämma mängden och typen av droger som används i ett samhälle. Integritetsproblem och begränsade resurser är hinder för att testa stora populationer. Ett alternativt tillvägagångssätt är avloppsvattenbaserad epidemiologi, som liknar att testa avloppsvatten för att mäta samhällsnivåer av coronavirusinfektion under pandemin.

"Tester för avloppsvatten är en framväxande strategi som kan besegra begränsningar och stigma förknippade med individuella drogtester, och det ger ett mer objektivt mått på droganvändning på grannskapsnivå", säger Giner Labs vicepresident för avancerade material Avni Argun, en medledare för projektet. "Medan avloppsvattentester har utförts i stor omfattning i Europa, finns det bara ett fåtal studier i USA. En snabb och bärbar karaktär av teamets enhet skulle möjliggöra storskaliga befolkningstester till låg kostnad och hög geografisk upplösning."

Arbetet av Arguns team vid Giner Labs, i Newton, Massachusetts, finansieras av NIH:s National Institute on Drug Abuse, som arbetar med forskare för att utveckla smarta stadsverktyg som skulle hjälpa folkhälsoövervakningsprogram som tar itu med droganvändning och missbruk. Ytterligare finansiering för projektet kom från National Science Foundation, National Institutes of Health och Office of Naval Research.

Teamets prototyp skulle kunna ge ett billigare och snabbare verktyg för användning av folkhälsotjänstemän som försöker fastställa nivån av opioidanvändning och effekten av behandlingsinsatser som omfattar hela samhället.

Medan grafen har använts tidigare för att känna av biologiska prover, är lagets arbete den första demonstrationen av att materialet kan användas med avloppsvatten, sa Burch.

Dessutom är det den första demonstrationen av att använda grafenbaserade fälteffekttransistorer, en elektronisk enhet för att avläsa mängden laddning, för att upptäcka flera mål samtidigt, enligt rapporten.

Genombrottet möjliggjordes av designen och implementeringen av plattformen för grafen elektronisk multiplexerad sensor (GEMS), sa Burch. Plattformen möjliggör avkänning av fyra olika målmolekyler samtidigt, samtidigt som de skyddar dem från hårda element i avloppsvatten, varav prover tillhandahålls av Mass. Alternative Septic System Test Center (MASSTC) på Cape Cod.

Teamet försåg grafensonderna med "aptamerer", DNA-strängar utformade för att bara fästa till en specifik molekyl - i det här fallet metaboliter av olika opioider i avloppsvatten. När aptameren fäster på drogen viks den, vilket ger mer laddning till grafen. Mängden laddning på grafenen övervakas för att upptäcka närvaron av en specifik opioidmetabolit, sa Burch.

"Dessa aptamerer var anslutna till våra grafenenheter och när läkemedlet infångades avlästes den inducerade laddningen på grafenen elektroniskt," sa Burch. "Vår tillverkningsprocess och design resulterade i en lägre detektionsgräns en storleksordning bättre än tidigare rapporter med andra metoder."

Tidigare provtagningsverktyg stod inför begränsningarna eftersom de krävde leverans av prover och testning i en laboratoriemiljö. Dessa krav medför kostnader som begränsar bred användning och användning i samhällen utan tillräckliga resurser. Genom att övervinna dessa gränser kan grafenenheten tillhandahålla nästan realtidsövervakning på flera platser, vilket också kan hjälpa till att distribuera resurser som första responders eller specifika interventionsstrategier, sa Burch.

"Detta är den första sådana sensorn som kan uppnå det med en så enkel och lättanvänd installation – en enda GEMS-plattform är lika stor som en krona," tillade Burch.

Framgången för GEMS var resultatet av ett långsiktigt samarbete ledd av Burch, som sammanförde DNA-expertisen från Boston College docent i biologi Tim van Opijnen, grafenodling av kemisten Xi Ling från Boston University och expertis för utveckling av biosensoranalyser från Argun och forskare från Giner Labs.

Ytterligare forskare i projektet inkluderade Boston College doktorand Michael Geiwitz, forskaren Narendra Kumar, grundutbildningen Matthew Catalan och postdoktoralen Juan C. Ortiz-Marquez; Giner Labs Muhit Rana, Niazul Islam Khan, Andrew Weber och Badawi Dweik; och BU doktorand Hikari Kitadai.

Burch sa att teamet var förvånade över hur väl enheten klarade den hårda avloppsvattenmiljön. Han sa att hans labb arbetar med Giner Labs under NIDA-finansiering för innovationsforskning för småföretag (SBIR) för att utveckla enheterna för eventuell kommersiell användning.

"Vi arbetar också för att se vad mer plattformen kan användas till, såsom snabb hemmatestning av virusinfektioner och/eller förekomsten av patogener i avloppsvatten," sa Burch. + Utforska vidare

Grafen stöder en ny plattform för att selektivt identifiera dödliga bakteriestammar