Fraunhofer Institute for Microelectronic Circuits and Systems IMS och Ruhr University Bochum, Tyskland, har utvecklat en process som möjliggör en ny form av signalförstärkning för diagnostiska tester. Genom den avancerade användningen av självlysande enkelväggiga kolnanorör i bioanalytik kan testprocedurer utföras känsligare, snabbare och billigare.
Sensorerna kan användas för enzymatiska processer. Deras anpassningsförmåga till olika reaktionsförhållanden öppnar upp för ett brett spektrum av tillämpningar för standardmetoder som ELISA, förkortning för Enzyme-linked Immunosorbent Assay.
Resultaten publicerades den 15 december 2023 i Angewandte Chemie International Edition . De öppnar upp nya möjligheter för att förbättra diagnostiska procedurer och spara detektionsmedel.
Många diagnostiska procedurer använder ljus för att detektera mängden av ett visst ämne. Detta kan vara ett färgat ämne eller ett självlysande ämne. Tyvärr finns det många bakgrundssignaler i området för synligt ljus. För att flytta den optiska signalen för en mätning till ett bättre spektralområde använde forskarna kolrör mindre än en nanometer i diameter. Detta är ungefär 100 000 gånger tunnare än ett människohår.
Sensorerna fluorescerar i det nära-infraröda området, som inte är synligt för det mänskliga ögat, och bleker inte. Dessutom är sensorernas fluorescens känslig för deras kemiska miljö på grund av en modifiering på deras yta. Detta gör det möjligt att observera kemiska reaktioner och upptäcka reaktionsprodukter när de interagerar med nanoröret.
Nanorörens fluorescens förskjuter signalen till det nära-infraröda området, vilket i kombination med nanorörens höga känslighet resulterar i en förskjutning av detektionsgränsen. Detta är viktigt, till exempel när sjukdomsmarkörer finns i mycket låga nivåer i en infektion eller sjukdom som cancer.
Möjligheten att skräddarsy nanorören till olika analyter öppnar upp för en lång rad möjligheter, inklusive en ökad känslighet. Denna vinst i känslighet möjliggör en potentiell förskjutning av detektionsgränser, vilket kan leda till både material- och tidsbesparingar i diagnostiska processer. Detta innovativa tillvägagångssätt kan avsevärt öka effektiviteten hos detektionsmetoder inom medicinsk diagnostik.
Gruppen visade att den nya sensorprincipen fungerar med hjälp av substraten p-fenylendiamin och tetrametylbensidin för enzymet pepparrotsperoxidas. "Detta enzym används i en mängd olika biokemiska detektionsmetoder", förklarar Justus Metternich från Fraunhofer IMS.
"I princip kan konceptet dock appliceras på alla typer av system. Vi har till exempel även undersökt enzymet β-galaktosidas, som är av intresse för diagnostiska tillämpningar. Med några modifieringar skulle det också kunna användas i bioreaktioner ."
I framtiden planerar gruppen att anpassa sensorerna för andra applikationer. Till exempel kan sensorerna, beroende på applikation, göras mer stabila med så kallade kvantdefekter. – Det här skulle vara särskilt fördelaktigt om man inte bara vill mäta i enkla vattenlösningar, utan också vill följa enzymatiska reaktioner i komplicerade miljöer med celler, i blodet eller i själva bioreaktorn, förklarar Sebastian Kruss, professor i fysikalisk kemi vid Ruhr University Bochum och chef för Attract Group Biomedical Nanosensors vid Fraunhofer IMS.
Mer information: Justus T. Metternich et al, Signal Amplification and Near-Infrared Translation of Enzymatic Reactions by Nanosensors, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202316965
Tillhandahålls av Ruhr-Universitaet-Bochum
